Пуск дизельного двигателя с помощью вихревого турбстартера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат наук Москалев, Игорь Владимирович

• Москалев, Игорь Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Москалев, Игорь Владимирович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

СОДЕРЖАНИЕ

Перечень сокращений

Введение

Глава 1. Пуск двигателя с использованием пневматической вихревой

турбины

1.1. Требования, предъявляемые к системам пуска

1.2. Способы пуска ДВС. Преимущества и недостатки различных способов

1.3. Существующие системы пневмостартерного пуска и их недостатки

1.4. Устройство вихревых турбин

1.5. Особенности, преимущества и недостатки вихревых турбин

1.6. Методы расчета вихревых турбин

1.7. Численное моделирование газодинамических процессов

1.8. Исследование и моделирование стартеров и вихревых турбин 38 Глава 2. Численные методы Газодинамики. Программный комплекс FlowVision

2.1. Метод конечных объемов. Общие положения

2.2. Модель турбулентности и пристеночные функции

2.3. Общее описание программного комплекса FlowVision

2.4. Расчетная сетка во FlowVision

2.5. Модель зазора

2.6. Модель подвижных тел

Стр.

2.7. Метод расщепления по физическим процессам

Глава 3. Проверка применимости математической модели для решения

практических задач со сложным вихревым течением

3.1. Моделирование газодинамического диода

3.2. Влияние угла наклона лопаток на КПД вихревой турбины

Глава 4. Моделирование вихревого турбостартера

4.1. Постановка задачи

4.2. Расчетная модель

4.3. Результаты моделирования

4.4. Рекомендации по моделированию вихревых турбин

ч 4.5. Особенности моделирования вихревой турбины на

многопроцессорных компьютерах

Глава 5. Моделирование динамики пуска дизеля ЯМЗ 842195

5.1. Динамика пуска дизельного двигателя

5.2. Расчет среднего момента сопротивления двигателя при пуске

5.3. Зависимость среднего момента сопротивления двигателя от температуры масла в процессе пуска

5.4. Моменты инерции в системе двигатель-турбостартер

5.5. Моделирование процесса пуска двигателя

5.6. Постановка задачи во FlowVision

5.7. Результаты моделирования

Выводы

Список литературы

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

CFD — computational fluid dynamics;

CFL — число Курант-Фридрихса-Леви;

DNS — direct numerical simulation;

LES — large eddy simulation;

RANS — Reynolds-averaged Navier-Stokes;

MPI — Message Passing Interface - протокол, обеспечивающий обмен информацией между процессами Многопроцессорной программы;

АКБ — аккумуляторные батареи;

ГУ — граничные условия;

ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

МКО — метод конечных объемов;

НУ — начальные условия;

ПО — программное обеспечение;

ПК — программный комплекс;

СЛАУ — система линейных алгебраических уравнений;

СЭП — система электростартерного пуска;

ТС — турбостартерные системы;

УКК — угловая координата кривошипа;

ЧПУ — числовое программное управление;

ЭВМ — электронно-вычислительная машина.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пуск дизельного двигателя с помощью вихревого турбстартера»

ВВЕДЕНИЕ

В транспортной составляющей экономики РФ автомобильный транспорт играет основную роль. Порядка 80 % всех предприятий во всех отраслях и такой же процент населенных пунктов в РФ в качестве подъездных путей имеют только автомобильные дороги. В такой ситуации особое значение приобретает повышение экономической эффективности автотранспортной инфраструктуры в целом и, в частности, за счет снижения удельной металлоемкости автомобилей. Пусковые системы являются неотъемлемой частью силовых установок с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). На изготовление систем электростартерного пуска (СЭП) для 1 миллиона автомобилей и тракторов расходуется от 20 до 150 тысяч тонн цветного металла, а на их перевозку - от 0,5 до 2 % топлива, потребляемого автомобилями [1]. Таким образом, улучшение пусковых, эксплуатационных и экономических качеств СЭП — одно из важнейших направлений совершенствования двигателей.

Применение турбостартеных систем (ТС) позволяет избежать ряда проблем, связанных с СЭП. В первую очередь это существенное падение силы тока в аккумуляторных батареях при снижении температуры, высокая металлоемкость СЭП и высокая стоимость за счет большой доли цветных металлов. Современные ТС также имеют недостатки, связанные с высокой частотой вращения, требующей использование дорогих редукторов, или с надежностью и долговечностью. В то же время, высокая пожаробезопасность; обеспечение более надежного пуска; существенно меньшая по сравнению с СЭП удельная металлоемкость и стоимость становятся весомым основанием для продолжения исследований в области совершенствования ТС. Крайне перспективным является применение ТС на основе вихревой турбины. Однако на сегодняшний день данный тип устройств недостаточно хорошо изучен. Число научных работ, посвященных вихревым турбинам невелико, а их исследование на данный момент ограничивается упрощенными теоретическими

выкладками и дорогостоящими экспериментами. В связи с этим, конструкция проточной части существующих вихревых турбин не оптимальна, и в ряде исследований показано, что имеются большие резервы совершенствования вихревых агрегатов [2-3].

Развитие и широкое распространение электронно-вычислительной техники, а также численных методов моделирования в последние годы дали инженерам мощные и эффективные инструменты решения самых разнообразных задач. В последнее десятилетие при государственной поддержке в Российской Федерации активно развиваются суперкомпьютерные технологии, открывая перед научными организациями и предприятиями новые возможности для эффективного решения исследовательских и оптимизационных задач. Возможности современных методов вычислительной гидродинамики (СРБ) и электронно-вычислительных машин (ЭВМ) позволяют совершить заметный прорыв в понимании газодинамических процессов в вихревых турбинах и в совершенствовании их конструкции, за счет чего существенно поднять их эффективность без катастрофических затрат на дорогостоящие эксперименты.

Применение же вихревых турбин в составе ТС позволит решить множество проблем существующих систем пуска двигателей, работающих во всех широтах РФ. Поэтому разработка, совершенствование и апробация методик численного моделирования ТС, в том числе на основе вихревой турбины, представляют собой актуальную задачу.

Цель работы. Разработка методики численного моделирования динамической системы «двигатель-турбостартер» и проведение численных исследований газодинамики вихревой турбины и динамики процесса пуска дизельного двигателя с использованием вихревой турбины для выявления различных факторов, влияющих на эффективность ТС, а также для демонстрации преимуществ перспективной ТС на базе вихревой турбины с помощью отечественного программного комплекса РЬлуУЫоп.

Научная новизна. Впервые разработана методика численного моделирования динамической системы «двигатель-турбостартер», которая

позволяет оценить динамические характеристики проектируемого турбостартера в связке с двигателем внутреннего сгорания. Это в свою очередь позволяет определить изменения во времени момента сопротивления двигателя, частоты вращения коленчатого вала и расхода воздуха турбиной для системы «двигатель-турбостартер», влияющие на качество пуска двигателя и характеризующие эксплуатационные качества системы пуска; дать оценку эффективности разработанного агрегата при установке на конкретный двигатель; прогнозировать потребный объем воздушной аккумуляторной системы.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обусловлены:

- использованием фундаментальных законов и уравнений газовой динамики, а так же современных численных методов реализации соответствующих математических моделей;

согласованием результатов расчетных и экспериментальных исследований и применением при оценке адекватности математических моделей достоверных опытных данных.

Практическая значимость:

разработана методика моделирования системы «двигатель-турбостартер», пригодная не только для моделирования систем, в состав которых входит как вихревая турбина, так и иные конструкции турбин. Разработанная методика позволяет существенно сократить расходы на проектирование и доводку проточной части турбостартеров;

- показана возможность и преимущества применения перспективной конструкции вихревой турбины в агрегатах пуска дизельных двигателей;

- даны рекомендации по повышению эффективности численного моделирования ТС на основе вихревой турбины с использованием параллельных вычислений на суперкомпьютерах;

- методики моделирования вихревых турбин и систем «двигатель -пневмо-турбостартер внедрены в рабочий процесс группы проектных работ компании ООО «ТЕСИС»;

- методика численного моделировании турбин с применением ПК По\уУ18ЮП внедрена в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «поршневых двигателей» и используется для численных расчетов течения в лопаточных машинах агрегатов наддува ДВС.

Апробация работы. По основным разделам диссертационной работы были сделаны доклады:

- на международной суперкомпьютерной конференции «Научный сервис в сети интернет: суперкомпьютерные центры и задачи», Новороссийск, Абрау-Дюрсо, 20-25 сентября 2010 г.;

- на XX международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Москва, МГУ им. Ломоносова, 8-13 апреля 2013 г.;

- на международном форуме «Инженерные системы-2013», Москва, международный информационно-выставочный центр «ИнфоПространство», 1516 апреля 2013 г.;

- на XIX школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках», Орехово-Зуево, Московский государственный областной гуманитарный институт, 20-24 мая 2013 г.;

- на XVIII международной конференции по вычислительной механике и современным программным системам, Алушта, ОУЦ МАИ «Алушта», 22-31 мая 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них в изданиях по перечню ВАК РФ - 3.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем работы 129 страниц, включая 114 страниц основного текста, содержащего 53 рисунка, 8 таблиц. Список литературы включает 89 наименований на 8 страницах.

Диссертационная работа выполнена на кафедре Э2 «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю профессору Ю.А. Гришину и всему коллективу кафедры Э2 за помощь и поддержку. А также компании ООО «ТЕСИС» за предоставленные лицензию на ПК ПолуУЪюп и вычислительные ресурсы.

ГЛАВА 1. ПУСК ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ВИХРЕВОЙ ТУРБИНЫ

1.1. Требования, предъявляемые к системам пуска

Для автотракторных двигателей с искровым воспламенением и воспламенением от сжатия с мощностью до 625 кВт пусковые качества регламентируются по ГОСТ 54120-2010. Данный стандарт предъявляет требования не только к двигателю и его пусковым качествам, но и к узлам и агрегатам, включая стартерную систему. Согласно упомянутому ГОСТ надежным пуском считается пуск двигателя, оборудованного всеми навесными агрегатами, на основном топливе не более чем за три попытки пуска «холодного двигателя» и не более чем за две попытки пуска «горячего двигателя» и двигателя после тепловой подготовки. При пуске дизеля пневмостартерной системой от ресивера со сжатым воздухом до давления 0,6 МПа продолжительность каждой попытки должна быть не более 5 с.

Пусковые качества двигателя оцениваются двумя основными параметрами: предельной температурой надежного пуска, временем подготовки двигателя к принятию нагрузки.

К требованиям к двигателю относятся требования к минимальной частоте вращения вала двигателя стартером, обеспечивающей надежный пуск. Например, для пуска холодного восьмицилиндрового дизельного двигателя при температуре -12 °С без применения устройства облегчения пуска минимальная средняя частота, обеспечивающая надежный пуск определена величиной 90 об/мин. Минимальная частота вращения надежного пуска дизельных двигателей выше, чем у двигателей с искровым зажиганием, т.к. при малой частоте вращения коленчатого вала процесс сжатия происходит медленно, в результате повышается поток тепла от сжимаемого газа в стенки цилиндра, головки поршней и камеры сгорания. Одновременно с этим при низких оборотах увеличиваются утечки газа через поршневые кольца.

Следствием всего этого является снижение температуры конца сжатия, приводящее к невозможности надежного воспламенения топлива.

Требования к стартерным системам, в частности к пневмостартерным, определены в параграфе 4.5. ГОСТ Р 54120-2010. Основными из них являются:

1. Стартерная система пуска должна обеспечивать необходимую для надежного пуска холодного двигателя частоту вращения коленчатого вала с общим числом попыток пуска не менее трех.

2. Рабочее давление пневмостартерной системы пуска должно быть: 0,6 МПа - номинальное; 0,4 МПа - минимальное; 1,0 МПа - максимальное.

3. Объем пускового ресивера пневмостартерной системы пуска должен быть не менее шестикратного рабочего объема дизеля и обеспечивать надежный холодный пуск двигателя за три попытки. При этом полное восстановление давления в воздушном ресивере не должно занимать более 4 минут.

4. Удельный расход воздуха пневмостартера должен быть не более

л

0,02 м /с/кВт. А удельная масса пневмостартера должна быть не более 0,7 кг/кВт.

5. Пневмостартер должен иметь глушитель шума. Выпуск воздуха в атмосферу должен быть безопасным и исключать ударное воздействие воздушного потока (импульса) на детали, узлы и стенки (переборки) моторно-трансмиссионного отделения.

6. Стартерная система пуска должна сохранять работоспособность в соответствии с требованиями настоящего стандарта после преодоления автотранспортным средством брода с пресной водой глубиной, регламентированной для автотранспортного средства конкретного типа.

Также в ГОСТ Р 54120-2010 приводятся требования к устройствам облегчения пуска холодного двигателя и к системам тепловой подготовки.

1.2.Способы пуска ДВС. Преимущества и недостатки различных способов

Известны следующие основные способы пуска двигателей внутреннего сгорания: пусковые ДВС, механические пусковые системы, пневматический пуск, пуск электростартером, пуск пневматическим стартером.

Пусковые ДВС

Пусковые ДВС применяются для дублирования электростартерных систем или как независимые системы пуска. Пусковые ДВС, обычно, представляют собой одноцилиндровые двухтактные ДВС или двухцилиндровые четырехтактные мощностью 5,1-14,0 кВт [1]. Такой пусковой агрегат обладает большим энергетическим запасом и достаточной мощностью и может обеспечить непрерывное прокручивание коленчатого вала длительное время (до 15 минут), что обеспечит прогрев двигателя.

Недостатки. Для передачи крутящего момента от пускового двигателя к пускаемому дизелю необходимо использование понижающего редуктора, а также механизма сцепления (как правило, масляного типа) и приводного механизма. В случае применения сцепления масляного типа при падении температуры окружающей среды пусковые ДВС обладают невысокой минимальной температурой надежного пуска (от -16 до -20 °С) [1]. Пусковые ДВС - конструктивно сложная и дорогая система пуска.

Механические пусковые системы

Двухтактные бензиновые двигатели малого объема могут запускаться с помощью шкива, закрепленного на коленчатом валу и приводимого во вращение человеком с помощью шнура, который наматывается на шкив. Для пуска мотоциклетных двигателей используется система ножного пуска кикстартером.

Недостатки механического пуска. При температуре ниже нуля такие системы пуска становятся непригодны, т.к. силы человека становится недостаточно для преодоления повышенного момента сопротивления. Данные

системы невозможно использовать на двигателях средней и большой мощности.

Другой способ механического пуска - пружинные стартеры, которые работают за счет энергии сжатых дисковых пружин, которая преобразуется с помощью редуктора из вращения человеком заводной рукоятки. Достоинствами такой системы являются отсутствие проводов, аккумуляторной батареи, простота и надежность конструкции.

Недостатки пружинных стартеров. Невозможность пуска двигателя с места водителя, большая продолжительность подготовки стартера к пуску, кратковременность прокручивания при пуске двигателя, что делает невозможным пуск при отрицательных температурах без средств облегчения, высокая трудоемкость изготовления.

Пневматический пуск дизеля

На дизелях большой размерности электростартерные системы становятся слишком громоздкими. Поэтому на судовых и стационарных двигателях, также на самосвалах БелАЗ для дизелей 9-26 ДГ и Д-12А-375-Б, применяется пуск сжатым воздухом. С помощью специальной системы распределения в цилиндры ДВС подается сжатый газ согласно порядку работы цилиндров. Под действием давления на поршни коленчатый вал приводится во вращение. Вместо воздуха иногда применяется отработавшие газы высокого давления, накопленные в процессе работы двигателя. При этом, условия для сгорания ухудшаются на первом этапе работы двигателя, пока цилиндры не очистятся от пусковых газов [4].

Недостатки пневматического пуска: усложнение конструкции двигателя, необходимость размещать в крышке цилиндров пусковые клапаны (неприменимо на двигателях малой размерности без ухудшения эффективности газодинамического и рабочего процессов); переохлаждение стенок цилиндров и камер сгорания при расширении вводимого в них сжатого воздуха; коррозия деталей двигателя при влажном воздухе.

Электростартеры

Различают два основных вида электростартеров: электроинерционные стартеры; электростартеры прямого пуска. Принцип действия

электроинерционных стартеров основывается на предварительном раскручивании маховой массы и последующей передаче накопленной в маховике кинетической энергии коленчатому валу.

Недостатки электроинерционных стартеров. Продолжительность пуска таким стартером равна 10-20 с [1] (и в 2-3 раза больше при низких температурах). В конструкциях с фрикционной муфтой или сцеплением важно отметить малый КПД (менее 0,25). Другие конструкции обладают меньшей надежностью. А высокие скорости вращения удорожают конструкцию. Данный тип стартеров все реже находит применение. В электростартерах прямого действия передача вращающего момента на коленчатый вал производится посредством зубчатого соединения электромотора стартера с венцом на маховике двигателя без предварительной раскрутки маховика.

Общие недостатки электростартерных систем: высокая стоимость из-за применения больших масс свинца и меди; высокие эксплуатационные расходы из-за аккумуляторных батарей и щеток электродвигателей; электростартеры пожароопасны, что удорожает их применение на технике, предназначенной для перевозки горючих и взрывоопасных веществ; в свинцовых аккумуляторных батареях (АКБ) возможно накопление взрывоопасной водородно-воздушной смеси вследствие химических реакций; АКБ свойственен саморазряд (Рис. 1.1).

Со снижением температуры увеличивается вязкость электролита и

замедляется скорость поступления серной кислоты в поры активной массы. Падает напряжение разряда, растет сопротивление электролита. При температуре -40 °С емкость стартерного разряда составляет около 25 %, а энергия всего 18 % от соответствующих значений емкости и энергии при температуре 25 °С. При температуре -50 °С энергия, отдаваемая аккумуляторной батареей на электродвигатель, падает до нуля. Поэтому, для обеспечения надежного пуска при низкой температуре, необходимо

использовать тяжелые АКБ большой емкости, не смотря на то, что энергия, запасенная в них при заряде, превышает в сотни раз необходимую для пуска двигателя [1]. На Рис. 1.2 приведены кривые емкости при различной температуре аккумуляторной свинцовой батареи 6СТ-190ТР [5].

Рис. 1.1. Среднесуточный саморазряд необслуживаемой аккумуляторной батареи за три месяца в зависимости от температуры и продолжительности эксплуатации. 1 - новый аккумулятор, 2 -аккумулятор после среднего срока эксплуатации, 3 - аккумулятор в конце срока службы

Со. '/.

100

80 л

60

г

го

о

-60 -ЬО -20 С го 40 т, v

Рис. 1.2. Влияние температуры на емкость Ср батареи при различной силе разрядного тока: 1 - 9,5 А; 2- 500,0 А

Гидравлические стартеры и другие системы пуска

Гидравлический стартер типа Prestolite, разработан во Франции компанией Démarreur Hydraulique Berger. Стартер применяется в качестве резервной пусковой системы на дизелях средней и малой размерности. Принципиальная схема системы приведена на Рис. 1.3 [6]. В гидравлический аккумулятор высокого давления нагнетается с помощью ручного гидравлического насоса масло до давления порядка 270-350 бар. При пуске гидравлическая энергия с помощью реечной передачи преобразуется во вращающий момент. На рынке также представлены стартеры Spring, компании Kineteco [7] с червячной передачей. Данный стартер обладает схожими массогабаритными показателями с электростартерами аналогичной мощности. Однако оба стартера непригодны в качестве основного стартера в силу длительности подготовки к пуску и невозможности выполнения пуска из кабины автотранспортного средства.

Существуют иные способы пуска двигателей внутреннего сгорания. К ним относятся, в частности, азотные и даже пиротехнические стартеры (в последних использовались пороховые газы для пуска авиационных поршневых двигателей) [8]. Азотные стартеры применяются в качестве пусковой системы в составе пожарных насосов на морских нефтяных платформах [9]. Рабочим газом в азотных стартерах является Азот. Будучи инертным газом он является безопасным на пожароопасных объектах. Азот хранится в заменяемых баллонах при давлении в 300 - 350 бар. Все упомянутые системы обладают существенными недостатками и узкой областью применимости и в настоящее время находят ограниченное применение.

Рис. 1.3. Принципиальная схема гидравлического стартера Prestolite

1.3.Существующие системы пневмостартерного пуска и их недостатки

Для пуска двигателей средней и высокой мощности нашли применение пневматические стартеры. В отличие от систем пневматического пуска, пневмостартеры не требуют сложной воздухораспределительной системы и вмешательства в конструкцию ДВС. Кроме того, требуются существенно меньшие давления сжатого воздуха (в 10-15 раз). От СЭП пневмостартеры выгодно отличаются эффективной работой при низких температурах.

На Рис. 1.4 представлена типичная схема стартерной системы на автотранспортном средстве, предлагаемая компанией Ingersoll Rand из США. Пневматический двигатель приводится в действие сжатым воздухом по команде (управляющим клапаном) из кабины водителя. Сжатый воздух из ресивера поступает через ускорительный или редукционный клапан. Отработанный воздух, в зависимости от типа пневматического двигателя, выходит сразу из стартера в атмосферу либо через глушитель. По требованиям

компактности или рабочего давления пневмодвигателя применяются ресиверы низкого (0,3-0,6 МПа) или высокого (>1,0 МПа) давления. Последние требуют применения на транспортных средствах дорогих двухступенчатых компрессоров. Также могут предъявляться повышенные требования к чистоте сжатого воздуха, соответственно используются фильтрующие системы. Одновременно применяются устройства для осушения аккумулируемого воздуха. Существует возможность устроить дозарядку стартерных ресиверов от ресиверов тормозной системы, при необходимости, возможно использование давления от автомобильных шин, которое на технике большой грузоподъемности может достигать 9 бар [10].

Рис. 1.4. Принципиальная схема пневмостартерной системы. 1-пневмо-стартер, 2 - управляющий (ускорительный) клапан, 3 - ресивер, 4 - осушитель воздуха, 5-6 - рабочие резервуары тормозной системы, 7-8 клапаны пневматической системы, 9 - командный (пусковой) клапан, 10 - компрессор Классификация пневмостартеров. Изготовители

Пневмостартеры классифицируются по типу двигателя: шестеренчатые моторы, лопастные турбины, осевые турбины. Также различают следующие конструктивные особенности: способ введения шестерни в зацепление с зубчатым венцом маховика, способ смазки, рабочее давление (низкого давления - меньше 0,6 МПа; высокого давления - больше 0,6 МПа).

Таблица 1.

Сравнение основных характеристик существующих турбостартеров

Название стартера Уд. мощность, кВт/кг Уд. расход, л/(с*кВт) Расход, л/с Давление, МПа п. об/мин Тип Мощность, кВт Масса, кг Момент, Нм

Gali, S-30 1,98 7,6-25 390-1050 3 3500 Шестер. 41,5 21 305

Gali, А-17 2,14 6-17,3 90-260 3 4000 Шестер. 15 7 66

Gali, А-27 1,92 4,4-18,4 110-460 3 3500 Шестер. 25 13 133

Jetstream4, low 0,37-0,79 44,4-28,4 200-270 0.25-0.4 2500-4000 Турб. 4,5-9,5 12 60-100

Jetstream4, med. 0,63-1 26,6-24,2 200-290 0.55-0.8 2500-4000 Турб. 7,5-12 12 63-95

Jetstream4, high 0,65 47,4 370 3 2500-4000 Турб. 7,8 12 78

JetstreamS, med. 1,19 17,7 420 0,8 2500-4000 Турб. 23,7 20 233

Jetstream5, high 1,25 21,6 540 3 2500-4000 Турб. 25 20 230

PRQ-22Í, high 0,67-1,24 16,5-17 132-254 0,62-1,03 1800-2500 Турб. 8-14.9 12 48-108

PRQ-22Í std 0,92-1,83 13,1-13,5 144-297 0.41-0.83 1800-2300 Турб. 11-22 12 55-160

TDIT30 0,76-1,97 12,1-8,7 121-226 0.6-1.2 1800-2300 турб. 10-26 13,2 68-175

TDIT50 2,4-3,1 5,2-5,7 212-300 0,4-0,6 2000 Турб. 41-53 17 1109-245

Inqersoll Rand SSI 75 0,53-0,98 20,3-18,2 142-236 0.62-1.03 3500-4100 Пластннч. 7-13 13,2 41-62

Inqersoll Rand SS350 0,93-1,8 17,7-15,7 248-425 0.62-1.03 2900-3400 Пластин1*. 14-27 15 95-149

Сегодня производством пневматических стартеров занимается лишь несколько зарубежных компаний. Большая часть мирового рынка пневмо-турбостартеров принадлежит компаниям из США TDI [11], Ingersoll Rand [12], Pow-R-Quik (США) [13]. На сегодняшний день турбостартеры также предлагают компании IEC Dusterloh Pvt.Ltd. (ФРГ) [14], Gali (Испания) [15], Powerworks (ЮАР) [16]. В России производство пневмостартеров в данный момент отсутствует. Сравнение характеристик современных пневмостартеров приведено в таблице 1. Шестеренчатые пневмостартеры

На Рис. 1.5 представлен шестеренчатый стартер компании Gali. Её стартеры отличаются компактностью и легкостью, но достигается это за счет повышенного давления на входе (от 3 МПа), как следствие, возрастают требования к качеству запорной арматуры и ресиверу, возникает потребность в дорогих и сложных двухступенчатых компрессорах.

Рис. 1.5. Стартер 8-38 компании ваН и рабочие шестерни Для обеспечения экономичности необходимо минимизировать утечки через радиальные и торцевые зазоры. Для этого приходится либо использовать высокоточное изготовление металлических деталей (пневмомоторы фирмы Вш1ег1о11), сопоставимое с точностью изготовления плунжерных пар, либо изготавливать шестерни из специальных пластиков (ваН). Шестеренчатые стартеры с металлическими шестернями, обладают большой удельной массой, но позволяют работать на относительно низком давлении воздуха ~1 МПа.

I

Шум выхлопа данного типа стартеров достаточно высок, поэтому при необходимости применяются глушители. Роторно-пластинчатые турбостартеры

На Рис. 1.6 представлен пневмостартер фирмы Inqersoll Rand с роторно-пластинчатой турбиной, состоящей (Рис. 1.7) из ротора, установленного эксцентрично в цилиндрический статор, в пазах которого установлены пластины, как правило, из износостойких композиционных материалов. Для повышения стабильности работы на низких оборотах (4000-6000 об/мин) необходимо обеспечивать дополнительное прижатие лопастей к стенкам статора подачей сжатого воздуха внутрь (Inqersoll Rand) или с помощью пружин (Pow-R-Quik). Сравнительно низкая скорость вращения удешевляет стоимость стартера и его массу, за счет малого передаточного числа редукторов.

Рис. 1.6. Стартер SS350 компании Inqersoll Rand Роторно-пластинчатые машины обладают рядом существенных недостатков [17]. В первую очередь это малый ресурс и сравнительно низкий КПД в силу трения между пластинами и статором. Данное обстоятельство негативно сказывается на долговечности, надежности, эксплуатационных расходах, требует применение смазки в рабочем объеме, также требуется предварительная очистка сжатого воздуха. Роторно-пластинчатые стартеры

обладают крайне высокой шумностью и обязательно требуют применения глушителей.

Рис. 1.7. Схема роторно-пластинчатой турбины

Также они являются сравнительно крупногабаритными. В холодное время года лопатки примерзают к стенкам ротора и статора в связи с конденсацией и замерзанием влаги. Для решения этой проблемы, например в устройствах фирмы 81апс1упе (США), применяется электропривод для надежного выдвижения лопаток из пазов ротора, однако, при этом привод не обеспечивает надежного прижатия лопаток к статору в процессе работы. Стартеры с осевыми турбинами

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Москалев, Игорь Владимирович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.

2. Анохин В.Д., Богатырев А.Г. Теория и расчет вихревых турбомашин. Учебное пособие. М.: ВЗМИ, 1986. 73 с.

3. Виршубский И.М., Рекстин Ф.С., Шквар А.Я. Вихревые компрессоры. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1998. 271 с.

4. Бирюков В.К. Судовые ДВС. Л.: Речной транспорт, 1955. 208 с.

5. Чижков Ю.П., Квайт С.М., Сметнев Н.Н. Электростартерный пуск автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. 160 с.

6. Electric Prestolite Starting Equipment Service and Repair for Prestolite Hydraulic, "Handraulic" and Spring systems // PB Asher - Diesel Fuel Injection & Fuel Pump Service & Repair. URL: http://www.pbasher.com/files/dl.php (дата обращения 08.08.2013)

7. Kineteco Sprint starters Simms, Lucas, CAV mechanical starter motors from Kineteco // Home page. URL: http://www.springstarter.com/ (дата обращения 08.09.2013)

8. Волков Г.И. Силовые установки самолетов. М.: ЁЁ Медиа, 2012. 177 с.

9. Group IPU Nitrogen Starting Systems // IPU Group. URL: http://www.ipu.co.uk/products/nitrogen-starting-systems (дата обращения 08.08.2013)

10. Continental // Continental tyres. URL: http://www.conti-online.com/www/download/transport_ru_ru/misc/tech_info/download/aiфressuretabl e_pdf_ru.pdf (дата обращения 08.08.2013)

11. Development Tech // TDI Turbotwin and turbostart. URL: http://www.tdi-turbotwin.com (дата обращения 08.09.2013)

12. Rand Ingersoll // Ingersoll Rand. URL: http://www.ingersollrandproducts.com/eu_en.aspx (дата обращения 08.09.2013)

13. Pow-R-Quik pow-r-quil // Pow-R-Quik. URL: http://www.powrquik.com (дата обращения 08.09.2013)

14. Pvt.Ltd. IEC Dusterloh // IEC Dusterloh. URL: http://www.iecdusterloh.com (дата обращения 08.09.2013)

15. International Gali Arrancadores neumaticos. // Gali. URL: http://www.galigrup.com/ (дата обращения 08.09.2013)

16. Ltd Powerworks // Jetstream. URL: http://www.turbinestarters.com/ (дата обращения 08.09.2013)

17. Раздолин M.B., Сурнов Д.Н. Агрегаты ВРД. М.: Машиностроение, 1973. 352 с.

18. Turbine-powered engine starting systems // Pr. Of Ingersoll Rand Company, 1990. 3 p.

19. Frank A. Introducing a new way to safety and operating efficiency of your tractor fleet // Diesel equipment superintendent. 1992. Sept. N9. P.6.

20. Madler J.J. The start master air рак // Diesel Equipment superintendent, 1969. Nov. N11. P. 67-69.

21. Пфлейдер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машиностроение, 1960. 683 с.

22. Iversen H.W. Perfomance of the perlbery pump // Trans ASME. 1955. V. 77, N 1. P. 19-28.

23. Senoo Y. A comparison of regenerative pump theories supported new perfomance data // Trans. ASME. 1956. V. 78, N 5. P. 1091-1102.

24. Shimosaka M. Design of regenerative pump // Mem. Рас. Techno 1 Tokyo mmetropol. Univ. 1963. N 13. P. 98-101.

25. Yamazaki S. Tomita Y., Sasahara T. Effects of the pump elements: researches of the performance of regenerative pump with non-radial vanes // Bull. JSME. 1972. V. 15, N81. P. 337-343.

26. Wilson W.A. Santano M.A., Oelrich J.A. A theory of the fluid-dynamic mechanism of regenerative pumps // Trans. ASME. 1955. V. 77, N 8. P. 1303-1316.

27. Wilson W.E. Analysis of turbine pumps // Product engineering. 1947. Vol. V. 18, N 10. P. 163-166.

28. Burton D.W. Review of Regenerative Compressor Theory: Rotating Machinery for Gas-Cooled Reactor Application // USAEC Report. 1962. N. 7631. P. 228-242.

29. Weinig F.S. Discussion to the paper by Senoo Y."A comparison of regenerative pump theories supported by new perfomance data" // Trans. ASME. 1985. Vol. V.78,N5. P. 1099-1100.

30. Senoo Y. Theoretical research on friction pump // Reports of research Inst.for fluid engin. Kyushu University. 1948. Vol. 5, N 1. P. 22-38.

31. Shimosaka M. Yamazaki S. Influences of flow channel and impeller: research on the characteristics of regenerative pump // Bull. JSME. 1960. Vol. 3, N 10. P. 185-190.

32. Байбаков O.B. Вихревые гидравлические машины. M.: Машиностроение, 1981. 197 с.

33. Анохин В.Д. Хмара В.Н. Вихревая ступень с обтекателем // Труды МВТУ. 1975. №179. С. 62-64.

34. Santano М.А. Discussion of reference // ASME. Trans. 1956. Vol. 78, N5. P. 1097-1099.

35. Schmiedchen W. Untersuchungen uber Kreiselpumpen mit seitlichem Ringkanal: Ph.D. Thesis. Dresden, 1932. 29 s.

36. Байбаков O.B. Вихревые гидравлические машины. M.: Машиностроение, 1981. 197 с.

37. Сергеев В.Н. Разработка пневмопривода вихревого типа с внутренним периферийным каналом и исследование влияния газодинамических и геометрических параметров на его эффективность: Дисс. ... канд. техн. наук. Москва. 1983. 127 с.

38. Teshome Yonas. CFD study on the perfomance of regenerative flow pump (RFP) with aerodynamic blade geometry: Diss. ... Addis Ababa, 2007. 89 p.

39. Performance Development // ЮР500 Supercomputers site. 2013. URL: http://www.top500.org/statistics/perfdevel/ (дата обращения 08.09.2013)

40. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990. 726 с.

41. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. М.: Мир, 1991. 504 с.

42. Липанов A.M., Кисаров Ю.Ф., Ключников И.Г. Численный эксперимент в классической гидромеханике турбулентных потоков. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2001. 160 с.

43. Численный эксперимент в теории РДТТ / Под ред. A.M. Липанова. Екатеринбург: Наука, 1994. 302 с.

44. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Вычислительные технологии в задачах механики жидкости и газа. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 468 с.

45. Кпорр Т. On grid-independence of RANS predictions for aerodynamic flows using model-consistent universal wall-functions // European conference on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD. Egmond aan Zee, Netherlands. 2006. P. 1-20.

46. Моделирование отрывных течений в программном комплексе Flowyision-HPC / С.В. Жлуктов [и др.] // Вычислительные методы и программирование. 2010. Т.П. С. 234-245.

47. Волков К.Н. Разработка и реализация алгоритмов численного решения задач механики жидкости и газа // Вычислительные методы и программирование. 2005. Т. 8, № 1. С. 40-56.

48. Moin P., Mahesh К. Direct Numerical Simulation: A Tool in Turbulence Research // Annual Review of Fluid Mechanics. 1998. Vol. 30. P. 539-578.

49. Deardorff J.W. A numerical study of three-dimensional turbulent channel flow at large Reynolds numbers // J. Fluid Mech. 1970. N 41. P. 453-480.

50. Deardorff J.W. The use of subgrid transport equations in a three-dimensional model of atmospheric turbulence // Journal of Fluids Engineering. 1973. Vol. 9. P. 429-438.

51. Kido H., Nakashima К., Tajima H., Kitagawa T. International Symposium COMODIA 85 // A Modified k-e Turbulence Model for In-Cylinder Gas Flow. Tokyo, 1985. P. 221-226.

52. Гришин Ю.А. Новые схемы метода крупных частиц и их использование для оптимизации газовоздушных трактов двигателей

// Математическое моделирование. 2002. Т. 14, №8. С. 51-55.

53. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 392 с.

54. Codes - CFD-Wiki, the free CFD reference // CFD-online. URL: http://www.cfd-online.com/Wiki/Codes (дата обращения 08.09.2013)

55. Программный комплекс NSF-3 // Факультет Энергомашиностроение. URL: http://energy.bmstu.ru/e02/nsß/nl lrus.htm (дата обращения 08.09.2013)

56. Barth T.J. Aspects of unstructured grids and finite-volume solvers for the Euler and Navier-Stokes equations // VKI Lecture Series. Belgium : Von Karman Institute for Fluid Dynamics, 1994. N 1994-05. P. 152.

57. Виршубский И.М. Исследование вихревых нагнетателей судовых систем с целью оптимизации основных геометрических параметров проточной части: Автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Николаев : НКИ им. С.О. Макарова, 1979. 24 с.

58. Бондаренко Ю.А. Исследование вихревых компрессороных машин с периферийно-боковым каналом: Автореф. дисс. ...канд. техн. наук. Л.: ЛПИ им. М. И. Калинина, 1969. 14 с.

59. Величенко Г.Д. Экспериментальное исследование течения в ступени вихревого компрессора//Тр. НКИ. Николаев, 1978. Вып. 137. С. 87-90.

60. Анохин В.Д. Исследование вихревого вакуум-компрессора: Дис. ...канд.техн.наук. М. : МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1975. 160 с.

61. Осепьян Л.С. Исследование влияния геометрии меридионального сечения проточной части входного угла лопаток рабочего колеса на жффективность ступени вихревого компрессора: Автореф. дисс. ...канд.техн.наук. Л.: ЛПИ им. М.И.Калинина, 1977. 20 с.

62. Raheel M. A Theoretical, Experimental and CFD Analysis of regenerative flow compressors and regenerative flow pumps for microturbine and automotive fuel applications: Ph.D. thesis. Lansing, Michigan State University, 2003. 98 p.

63. Ванеев C.M. Разработка и исследование вихревого пневмопривода с внешним периферийным каналом и сопловым аппаратом. Дисс. ...канд.техн.наук. М., 1986. 183 с.

64. Meakhail Т., Park S. An improved theory for regenerative pump performance // Proc. Instn Mech. Engrs. 2005. Vol. 219. 89p

65. Алиев А.Я. Исследование метода и разработка средств повышения пусковых характеристик автомобильных двигателей в условиях низких температур. Махачкала: Филиал ГОУ ВПО МАДИ, 2007. 150 с.

66. О пристеночных функция и моделях турбулентности // flowvision.ru FAQ. URL: http://www.flowvision.ru/support/public.pl?Action=PublicFAQZoom; CategoryID=7;ItemID=19 (дата обращения 08.09.2013)

67. Руководство пользователя // flowvision 3.08.04. URL: http://flowvision.ru/index.php/fajly/category/8-dokumentatsiya-flowvision?download=70:3-08-04-pdf-rus (дата обращения 08.09.2013)

68. Wilcox D.C. Turbulence modeling for CFD. California: DCW Industries, 1994. 460 p.

69. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.

70. Shih Т., Povinelli L.A., Liu N., Potapczuk M.G., Lumley J.L. A generalized wall function // NASA, 1999. P. 209-398

71. Utyuzhnikov S.V. The method of boundary condition transfer in application to modeling near-wall turbulent flows // Computers & Fluids. 2006. P. 1193-1204.

72. Aksenov A. A., Dyadldn A.A., Pokhilko V.I. Overcoming of Barrier between CAD and CFD by Modified Finite Volume Method //1998 ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference. San Diego, 1998. Vol. 377-1. P. 4.

73. Бреховских JI.M., Гончаров В.В. Введение в механику сплошных сред. М.: Наука, 1982. 334 с.

74. Анохин В.Д., Круглов М.Г., Лепеха А.И. Исследование течения в гидромеханическом клапане без подвижных частей // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1986. № 1. С. 74-78.

75. Анохин В.Д., Лепеха А.И. Гидромеханические клапаны без подвижных частей в ДВС // Двигателестроение. 1986. № 9. С. 58-59.

76. Лепеха А.И. Лопаточный клапан без подвижных частей в системах газообмена двигателей внутреннего сгорания: Дисс. ...канд. техн. наук. Москва, 1988. 164 с.

77. Москалев И.В., Гришин Ю.А. Особенности моделирования вихревой турбины во FlowVision // Инженерные системы -2013: Труды международного форума. Москва, 2013. С. 80-85

78. Москалев И.В. Особенности расчета подвижных тел со свободной поверхностью во FlowVision НРС. Общие рекомендации по постановке и решению задач // Инженерные системы - 2009: Сборник трудов конференции. Москва, 2009. С. 34-48.

79. Кириллов И.И. Теория турбомашин. Л. : Машиностроение, 1972. 536

с.

80. Чернавский С. А. Проектирование механических передач. М.: Машиностроение, 1976. 608 с.

81. Практика суперкомпьютера «Ломоносов» / Вл.В. Воеводин [и др.]

// Открытые системы. Москва : Издательский дом «Открытые системы», 2012. С. 7.

82. Путинцев С.В. Механические потери в поршневых двигателях: специальные главы конструирования, расчета и испытаний: Учебное пособие по дисциплине «Специальные главы конструирования и САПР. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.289 с.

83. Ефремов И.Ф. Исследование механических потерь тракторного двигателя: Дисс. ...канд.техн.наук. Барнаул, 1977. 200 с.

84. Попык К.Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1965. 259 с.

85. Богомолов А.И. Химия нефти и газа. СПб.: Химия, 1995. 446 с.

86. Левашова А.И., Ушева Н.В. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов. Примеры и задай: Учеб. пособие. Томск: Том. политехи.ун-т, 2008. 92 с.

87. Двигатели 842.10, 8424.10, 8424.10-03, 8424.10-05,8424.10-07,8424.1008: Техническое описание и инструкция по эксплуатации 8421.3902150 ИЭ / ОАО «Тутаевский моторный завод». Тутаев, 2007. 145 с.

88. Балткам Двигатель ЯМЗ 8421.10 // Балткам - запчасти для.... URL: http://www.baltkam.ru/auto-parts-yamz/yamz-8421 -10/avto-katalog_/favto.java?U158 (дата обращения 07.05.2012)

89. Вес деталей и узлов // ООО Торговый дом ОАО «ТМЗ». URL: http://www.tdtmz.com/dealer/info_d/weight_size/weight_size.zip (дата обращения 07.05.2012)