Характеристики турбин малоразмерного турбокомпрессора с плоскими непрофилированными пластинами в кольцевом канале тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Чернов, Константин Викторович

• Чернов, Константин Викторович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чернов, Константин Викторович

Список сокращений ''

Список условных обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы по тематике исследования. Анализ состояния вопроса.

1.1. Конструктивные особенности агрегатов наддува авто- ^ ^ тракторных дизелей. 1.2 Анализ рабочего процесса и методы расчета радиально-осевой турбины

1.3. Экспериментальное исследование характеристик малоразмерных радиально-осевых турбин.

1.4. Постановка задач на исследование.

Глава 2. Теоретическое исследбьание особенностей течения газа в турбине с пластинами, установленными в кольцевом участке.

2.1. Влияние геометрии кольцевого участка ступени РОТ на ее эффективный КПД.

2.2. Методика расчета радиально-осевой турбины.

Глава 3. Опытное исследование турбины малоразмерного ТКР

3.1. Опытный стенд и объекты исследования.

3.1.1. Опытный стенд.

3.1.2. Объекты исследования

3.2. Методика проведения экспериментов. Оценка погрешности измерений.

Глава 4. Результаты опытного исследования турбины при установке плоских пластин»в кольцевом участке.

4.1. Результаты визуализации и траверсирования газового потока в корпусе малоразмерной радиально-осевой турбины.

4.2. Влияние температурного фактора на характеристики турбины.

4.3. Влияние установки пластин на характеристики турбины. 74 Выводы 85 Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Характеристики турбин малоразмерного турбокомпрессора с плоскими непрофилированными пластинами в кольцевом канале»

Использование газотурбинного наддува в двигателях внутреннего сгорания является средством решения следующих основных задач [1, 11, 30, 54, 56, 61]:

1. Форсирование двигателя при неизменном рабочем объеме и номинальной частоте вращения коленчатого вала.

2. Обеспечение работы двигателя при его эксплуатации в высокогорных условиях.

3. Возможность снижения удельного эффективного расхода топлива за счет использования энергии отработавших газов.

4. Улучшение воздухоснабжения двигателя путем повышения массы заряда.

5. Обеспечение совместно с системой промежуточного охлаждения наддувочного воздуха постоянно растущих требований по токсичности отработавших газов.

Использование наддува позволяет повышать мощность серийных автомобильных двигателей, т.е. даёт возможность в течение длительного срока улучшать показатели двигателей в соответствии с возрастающими требованиями к динамическим качествам и грузоподъёмности автомобилей [61]. Основной тип агрегатов наддува для транспортных дизелей (автотракторных) - турбокомпрессор, включающий центробежный компрессор и радиально-осевую турбину [44, 47,49, 52, 53, 54].

Из-за большей продолжительности впрыска топлива и его сгорания, эмиссия окислов азота у дизелей с наддувом значительно меньше, т.о. применение наддува является одним из средств выполнения требований по ограничению токсичности выхлопа [28].

Доля дизелей с наддувом в производственной программе крупных двига-телестроительных фирм постоянно растет. Так, например, ОАО КАМАЗ полностью отказалось от производства дизелей со свободным впуском. Естественно, что актуальным при этом является повышение КПД КДВС и во многом этот рост определяется ростом КПД турбокомпрессора. Поэтому повышение эффективности работы турбины, как источника энергии в ТКР, является важным факр. тором при проектировании новых и модернизации существующих двигателей [6,7,8,14,16,51].

Одним из путей повышения КПД турбины является уменьшения вторичных течений, возникающих в корпусе. В литературе есть данные по неравномерности угла выхода потока из корпуса по окружности, однако, данные о неравномерности по высоте канала отсутствуют.

Цель работы.

Цель настоящей работы заключается в повышении КПД радиально-осевой турбины малоразмерного турбокомпрессора за счет совершенствования рабочего процесса в корпусе.

Научная новизна.

На основе теоретического анализа и опытных данных, полученных в работе:

1. сделаны заключения о структуре течения газа в БНА и о неравномерности угла выхода потока, не только по окружности, но и по высоте кольцевого участка в результате проведения визуализации и траверсирования газового потока в БНА.

2. предложено использование плоских непрофилированных пластин в БНА с целью снижения неравномерности потока и повышения КПД турбины.

3. даны рекомендации по выбору оптимальной густоты и по определению расходных характеристик радиально-осевых турбин (РОТ) с плоскими направляющими непрофилированными пластинами в кольцевом участке.

Достоверность результатов исследования

Степень достоверности результатов проведенных исследований гарантируется применением современных методов исследования, основанных на методах, применяемых производителями турбокомпрессоров, и соответствием ГОСТ 10033-68, обоснованностью используемых допущений, созданием работоспособной опытной установки на базе стенда испытания турбокомпрессоров ОАО КАМАЗ, применением современной аттестованной аппаратуры, расчетом погрешности измерения и удовлетворительным совпадением полученных экспериментальных данных с результатами расчетов.

Практическая значимость работы.

Применение направляющих пластин в кольцевом участке турбины позволяет повысить ее КПД, а значит и экономические показатели всего двигателя внутреннего сгорания. Повышение КПД связано со снижением неравномерности угла выхода потока из кольцевого участка от, и более равномерным подводом газа на лопатки рабочего колеса, а также с оптимизацией значения самого угла от,.

Показана возможность расширения диапазона рабочих режимов работы малоразмерного ТКР за счет применения вставок с плоскими непрофилирован-ными пластинами.

Результаты испытаний могут быть использованы при разработке регулируемого соплового аппарата турбины малоразмерного турбокомпрессора.

Практическая реализация.

Материалы данной работы переданы для изучения с целью дальнейшего использования в ОАО КАМАЗ, а также применяются в учебном процессе на кафедре ДВС Камского государственного политехнического института при чтении курса «Агрегаты наддува двигателей» и в дипломном проектировании.

Методы и объекты исследований.

При выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. В качестве объекта исследований служил нерегулируемый малоразмерный турбокомпрессор TKP7H-1 с безлопаточным направляющим аппаратом турбины, серийно выпускаемый ОАО КАМАЗ. Исследования проводились на безмоторном стенде испытания турбокомпрессоров ОАО КАМАЗ, который был модернизирЪван с учетом поставленной цели исследования.

Апробация работы.

Результаты данной работы были представлены на 4 конференциях, в том числе на научно-практической конференции «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АВТОМОБИЛЕЙ И ДВИГАТЕЛЕЙ В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН», проводившейся ОАО КАМАЗ в 1999 г., и на II Международной научно-практической конференции «АВТОМОБИЛЬ И ТЕХНОСФЕРА» в КГТУ (КАИ) в 2001 г, а также на расширенных заседаниях кафедры турбомашин Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева и кафедры ДВС КамПИ.

Личный вклад.

При выполнении работы соискателем была разработана методика проведения эксперимента, проведена модернизация испытательного стенда, изготовлены объекты исследования, проведен эксперимент с последующей обработкой и обобщением результатов.

Публикации.

По данной работе имеется 6 публикаций.

Состав диссертации.

Диссертация состоит из 4 глав, отражающих содержание работы, выводов, списка литературы, насчитываемого 63 наименования и 1 приложение.

Диссертация содержит 97 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 8 таблиц.

Положения выносимые на защиту

1. Результаты визуализации течений в корпусе турбины с безлопаточным направляющим аппаратом.

2. Результаты опытного исследования турбокомпрессора ТКР 7Н-1 с плоскими ^профилированными пластинами.

3. Рекомендации по выбору оптимальной густоты пластин в кольцевом участке для малоразмерный турбин агрегатов наддува КДВС.

4. Влияние густоты пластин на расходные характеристики турбины.

5. Результаты траверсирования турбины с установленными в ней направляющими пластинами.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Чернов, Константин Викторович

Выводы.

В качестве основных выводов и рекомендаций по проделанной работе можно заключить:

1. Применение направляющих пластин практически не снижает окружную неравномерность угла ах, однако подтягивает ах к расчетному значению и выравнивает поток по высоте кольцевого канала, повышая максимальный эффективный КПД турбины до 10% при холодных испытаниях и на 14% (при = 2,0) при работе на горячем газе.

2. Даны рекомендации по выбору оптимальной густоты пластин для турбин турбокомпрессора ТКР 7. Для турбин данной размерности

9• t = — должен быть ~ 1,1. 1,2. Ь

3. Использование вставок с различной густотой пластин позволяет создавать модификации турбины с разными расходными характеристиками без изготовления номенклатуры корпусов, отличающихся только площадью нулевого сечения. На сегодня число вариантов корпусов турбины доходит до шести, при использовании же пластин с разной густотой их установки возможно обойтись одним корпусом, снижая тем самым стоимость изготовления ТКР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чернов, Константин Викторович, 2003 год

1. Абапяев А.Ю. Совершенствование процесса впуска двухцилиндрового дизеля с турбонаддувом. Автореферат диссертации на соисканиер.ученой степени к.т.н. Владимир, 1999. - 16 с.

2. Аэродинамика турбин и компрессоров / Под ред. У.Р. Хауторна (W.R. Hawtorn). М.: Машиностроение 1968. - 742 е., ил.

3. Байков Б.П., Бордуков В.Г., Иванов П.В., Дейч Р.С. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. JI., «Машиностроение» (Ленинградское отделение), 1975. 200 е., с ил.

4. Барский И.А. Изменение параметров турбокомпрессора по режимам. «Двигателестроение» №10 1986 г. стр. 28-30.

5. Бекнев B.C., Михальцев В.Е., Шабаров А.Б., Янсон Р.А. Турбомашир.ны и МГД-генераторы газотурбинных и комбинированных установок: Учебное пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Турбостроение» М.: Машиностроение, 1983 г., 392 с.

6. Гатауллин Н.А. Разработка, исследовательские испытания и доводка малоразмерных турбокомпрессоров. Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени к.т.н. Казань, 1998. - 22 с.

7. Горюнов Л.В., Румянцев В.В., Тиунов С.В., Чернов К.В. Отработка метода визуализации потока в корпусе радиально-осевой турбины. Механика машиностроения. Тезисы докладов. Набережные Челны, 1997, С. 81-82.

8. ГОСТ 9658-81. Турбокомпрессоры для наддува дизелей и газовых двигателей.

9. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов по спец. «Строительные и дорожные машины и оборудование» / Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.; Под ред. В.Н. Луканина. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1985. - 311 е., ил.

10. Дейч Р.С., Ципленкин Г.Е. Развитие турбокомпрессоров для наддува дизелей. Двигатели внутреннего сгорания (обзорная информация) -М.: ЦНИИТЭИ тяжмаш., 1983, вып. 3. - 38 с.

11. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О.ШтейнбергаГ 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение 1992.-672 е., ил.

12. Каминский В.Н. Научные основы создания малоразмерных турбокомпрессоров для быстроходных транспортных двигателей. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. г. Брежнев 1985 г.

13. Кленин Ю.П., Тихонов Н.Т. Исследование влияния некоторых геометрических параметров на КПД радиально-осевой воздушной микротурбины. «Авиационная техника»

14. Крутов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС: Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1978. - 213 е.: ил.

15. Лапшин Ф. Эра курсора. Авторевю, №25 (185), 1998.

16. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 447 с.

17. Луговин К.И. Совершенствование методов расчета выходных устройств центробежных компрессоров на основе их экспериментального исследования. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Казань, 2002 г.

18. Магзумьянов Р.Ф. Зависимость удельной изоэнтропной работы турбины от угла поворота заслонки регулируемого турбокомпрессора // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Механика машиностроения», г.Наб.Челны, КамГТИ, 1997, С. 78-79.

19. Магзумьянов Р.Ф. Разработка и исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины. Автореферат диссертации к.т.н. Уфа, УГАТУ, 2000.

20. Максутова М.К. Влияние показателя адиабаты к на характеристику центробежного компрессора. Труды Казанского авиационного института. Вып. 86. 1964 г., стр. 58-71.

21. Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М., «Машиностроение», 1974, 228 с.

22. Наддув и нагнетатели, автомобильных двигателей. М., Машиностроение, 1965, 219с. Авт. Ханин Н.С., Шерстюк А.Н., Зайченко Е.Н., Ди-неев Ю.Н.

23. Наталевич А.С. Воздушные микротурбины. 2-е изд., перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1979 - 192 е., ил.

24. Основы научных исследований: Учеб. для техн. вузов/ В.И. Кругов, И.М. Грушко, В.В. Попов и др.; Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. -М.: Высш. шк., 1989. 400 е.: ил.

25. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия. М.: Машгиз, 1963. - 639 е.: ил.

26. Прикладная газовая динамика. Абрамович Г.Н. Издание 4-е исправленное и дополненное. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1976, 888 стр.

27. Работа дизелей в условиях эксплуатации: Справочник / А.К. Костин, Б.П. Пугачев, Ю.Ю. Кочинев; Под общ. ред. А.К. Костина. JL: Машиностроение, Ленингр. отд., 1989. - 284 е.: ил.

28. Ржавин Ю.А. Осевые и центробежные компрессоры двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет: Учебник. М.: Изд-во МАИ, 1995. - 344 е.: ил.

29. Румянцев В.В., Чернов К.В. Результаты опытного исследования малоразмерной радиально-осевой турбины с регулируемым сопловым аппаратом. II Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», Казань, 13-15 июля 2001 г., с. 227-231.

30. Румянцев В.В., Чернов К.В. Методика оценки параметров турбины малоразмерного турбокомпрессора по ограниченному количеству опытных данных. II Международная научно-практическая конференция «Автомобиль и техносфера», Казань, 13-15 июля 2001 г., с.224-226.

31. Савельев Г.М., Зайченко Е.Н., Озимов П.Л., Лямцев Б.Ф. Влияние угла входа потока в колесо на характеристику малоразмерной центростремительной турбины'.' «Энергомашиностроение» №3, 1975 г., стр. 3537.

32. Савельев Г.М., Лямцев Б.Ф., Слабов Е.П. Повышение эксплуатационной надежности автомобильных дизелей с наддувом. Учебное пособие для институтов повышения квалификации. Москва, 1988. 96 с. с ил.

33. Системы регулирования давления наддува тракторных и комбайновых дизелей. Серия «Тракторы и двигатели», №3. М.: ЦНИИТЭИ Трак-торсельхозмаш, 1982. - 39 е.: ил.

34. Стечкин Б.С., Казанжан П.К., Алексеев Л.П., Говоров А.Н., Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория реактивных двигателей. Лопаточные машины. Под ред. академика Б.С.Стечкина. М.: Оборонгиз, 1956, 548 е., с ил.

35. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под. ред. С.М. Шляхтенко. Учебник для вузов 2-е изд., переработанное и дополненное - М.Машиностроение, 1987.-568 с.

36. Тиунов С.В. Влияние изменения площади на входе корпуса турбины на работу турбокомпрессора ТКР7С. Межв. сб. «Проблемы конструирования, производства и эксплуатации колесных машин», Наб. Челны, 1999. С. 68-70.

37. Тиунов С.В. Ретроспективный анализ способов регулирования агрегатов наддува транспортных дизелей. В кн.: Проблемы энергомашиностроения. Тезисы докладов Всероссийской молодежной научно-технической конференции. - Уфа, 1996, с. 7-8.

38. Тиунов С.В., Румянцев В.В. Результаты опытного исследования газодинамики турбины турбокомпрессоров размерности ТКР7. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Двига-тель-97». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, С. 83-84.

39. Тиунов С.В., Чернов К.В. Результаты опытного исследования газодинамики корпуса турбины турбокомпрессора ТКР7. Межвузовский сб. «Проблемы конструирования, производства и эксплуатации колесных машин», Набережные Челны, 1999, С.71-73.

40. Транспортные машины с газотурбинными двигателями / Н.С. Попов, С.П. Изотов, В.В. Антонов и др.; Под общ. ред. Н.С. Попова. 2-е изд., переаб. и доп. - JL: Машиностроение. Ленингр. отд., 1987. - 259 е., ил.

41. Тунаков А.П. Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование центростремительной газовой турбины». Кафедра и научно-исследовательская лаборатория турбомашин КАИ, 1960 г.

42. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. Л., «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1975 г.

43. Турбомашины. Сборник статей. Ред. канд. техн. наук, доц. А.Е. Зарян-кин. М., 1972 г.

44. Турбонаддув высокооборотных дизелей. М., «Машиностроение», 1976. 288с. Авт. А.Э. Симеон, В.Н. Каминский, Ю.Б. Моргулис, Г.М. Поветкин, А.Б. Азбель, В.А. Кочетов.

45. Файн М.А. Анализ перспектив развития систем регулирования наддува дизелей с использованием описаний патентов на изобретение / Двигателестроение. 1981. №2. С. 36-38.

46. Файн М.А., Васильев В.Н. Современные устройства для регулирования давления наддува двигателей внутреннего сгорания тракторов и сельскохозяйственных машин. М.: ЦНИИТЭИ Тракторсельхозмаш, 1979, вып. 17.-37 с.

47. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигаIтели с турбонаддувом. М.: Машиностроение, 1991. - 336 е.: ил.

48. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин: Учебник для студентов вузов по специальности «Авиационные двигатели» 2-е издание, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986 г., 432 с.

49. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания = Aufladung von Verbrennun gasmotoren: Перевод с немецкого / Под ред. д-ра техн. наук Н.Н.Иванченко. - Л., Машиностроение. Ленингр. отд., 1978. -264 е., ил.

50. Циткин С.И. Радиальные турбодетандеры. Машгиз. 1949 г.

51. Шерстюк А.Н. Расчет течений в элементах турбомашин. М., «Машиностроение», 1967 г.

52. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976.

53. Mizumachi Nagao. A Study of Radial Gas Turbines. Report of the Institute of Industrial Science. University of Tokyo. S/n 57. 1958. 120 p.

54. Rosenkranz Hans-Gunther. Zum Beschleunigungsverhalten von Nutzfahr-zeug-Dieselmotoren mit Abgasturboaufladund. Institut fur Technische Verbrennung Universitat Stuttgart. 1982,239s.

55. Sidney Raymond, Kitchens Clarence W., Jr. Combined techniques for flow visualization. AIAA Pop., 1976, №55, 1-15.

56. Watson N., Janota M.S. Turbocharging the Internal Combustion Engine. The Macmillan Press Ltd. 1982. - 608 p.