Разработка и исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Магзумьянов, Радик Фаатович

• Магзумьянов, Радик Фаатович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Магзумьянов, Радик Фаатович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ

ВОПРОСА

1.1. Влияние турбоиаддува на основные показатели комбинированных двигателей внутреннего сгорания

1.2. Способы регулирования турбонаддува двигателей внутреннего сгорания

1.2.1. Использование поворотных лопаток лопаточного направляющего аппарата турбины

1.2.2. Изменение площадей проходного сечения безлопаточного направляющего аппарата турбины

1.3. Краткий анализ состояния вопроса

1.4. Постановка задач на исследование

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА В РЕГУЛИРУЕМОМ БЕЗЛОПАТОЧНОМ НАПРАВЛЯЮЩЕМ АППАРАТЕ ТУРБИНЫ

2.1. Расход воздуха через поршневую часть двигателя

2.2. Регулируемый безлопаточный направляющий аппарат

ГЛАВА 3. МАЛОРАЗМЕРНЫЙ ТУРБОКОМПРЕССОР С ПАРЦИАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТУРБИНЫ

3.1. Профилирование безлопаточного направляющего аппарата

3.2. Разработка малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОРАЗМЕРНОГО ТУРБОКОМПРЕССОРА С ПАРЦИАЛЬНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТУРБИНЫ НА АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

4.1. Цель и выбор объектов исследования

4.2. Замеряемые величины и измерительные приборы. Погрешность измерений

4.3. Методика проведения исследований и обработки экспериментальных данных. Результаты исследований

4.4. Сравнение с результатами теоретического исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование малоразмерного турбокомпрессора с парциальным регулированием турбины»

Турбонаддув в настоящее время рассматривается как неотъемлемая составная часть современных двигателей внутреннего сгорания с высокими удельными показателями. Турбокомпрессор обеспечивает подачу воздуха в цилиндры двигателя с плотностью, превышающей плотность окружающей среды. Это позволяет пропорционально увеличению воздуха увеличить количество сжигаемого топлива и, следовательно, мощность двигателя.

Достичь высоких удельных показателей комбинированных ДВС, имеющих широкий диапазон рабочих режимов, удается только на определенном расчетном режиме в виду рассогласования характеристик воздухоснабжения турбокомпрессора и поршневой части. Поэтому режимы работы турбокомпрессора влияют на диапазон режимов работы самого ДВС. Для судовых двигателей или для двигателей электрических установок, работающих с постоянной нагрузкой и частотой вращения, согласование режима работы турбокомпрессора не представляет особых трудностей - требуется лишь согласование количества воздуха, необходимого для развития двигателем номинальной мощности. Для автомобильных и тракторных двигателей с малоразмерным турбокомпрессором, работающих в широком диапазоне как скоростных, так и нагрузочных режимов, трудно обеспечить полезное взаимодействие обоих агрегатов. Поэтому при работе турбонаддувного двигателя на частичных режимах наличие турбокомпрессора в газовоздушном тракте приводит к ухудшению его эксплуатационных характеристик и увеличению удельного эффективного расхода топлива.

Одним из перспективных путей решения данной проблемы является регулирование турбонаддува. Однако на сегодняшний день отсутствуют достоверные данные о КДВС с высокоэффективными и, в то же время, высоконадежными в конструктивном исполнении способами регулирования. Известные способы регулирования турбины с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) в настоящее время недостаточно исследованы, они находятся в основном на стадии авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Целью настоящей работы явились разработка и исследование турбины малоразмерного турбокомпрессора с расширенным диапазоном эффективной работы за счет установки парциальной заслонки* на входе газа в БНА.

Научная новизна:

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность расширения диапазона эффективной работы турбины малоразмерного турбокомпрессора за счет:

- установки подвижной парциальной заслонки на входе газа в БНА с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси вращения ротора турбины;

- специального закона изменения проходных сечений БНА турбины.

2. Впервые разработан малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины (патент 2131981 РФ).

3. Впервые установлена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

4. Впервые предложена методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

Практическая значимость работы: 1. Малоразмерный турбокомпрессор с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины позволяет по сравнению с нерегулируемым турбокомпрессором:

- уменьшить удельный эффективный расход топлива на частичных режимах работы КДВС;

- повысить среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента КДВС;

- расширить скоростной диапазон работы КДВС. Под термином "парциальная заслонка" подразумевается заслонка, которая при повороте изменяет степень парциальности радиально-осевой турбины.

2. Предложенная методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины позволяет произвести расчетные исследования малоразмерного турбокомпрессора на стадии проектирования или дальнейшего совершенствования.

Практическая реализация.

Результаты исследования используются в НТЦ Горьковского автомобильного завода и в КБ по турбонаддуву ОАО "Алтайдизель" при проектировании новых двигателей, а также при доводке серийно выпускаемых двигателей с турбонаддувом.

Методы и объекты исследований.

В работе использовались экспериментальные методы исследований двигателей ГАЗ-542Н (ОАО ТАЗ"), Д-442 (ОАО "Алтайдизель"), ЗИЛ-645 (АМО "ЗИЛ"), СМД-41 (завода "Серп и Молот", Украина), ЗД2Э (завода "Трансмаш", г.Барнаул) и 6ЧН12/14 (завода "Юждизельмаш", Украина). Базой при разработке и исследованиях регулируемого малоразмерного турбокомпрессора служил нерегулируемый турбокомпрессор ТКР-7Н-1 (ОАО "КамАЗ").

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Магзумьянов, Радик Фаатович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность расширения диапазона эффективной работы турбины до 19% по расходу газа за счет установки парциальной заслонки на входе газов в БНА турбины.

2. Установлен специальный закон профилирования БНА для регулируемых парциальной заслонкой турбин, заключающийся в неравномерном изменении площадей проходных сечений по периметру улитки.

3. Разработан и исследован малоразмерный турбокомпрессор с парциальным регулированием турбины и защищен патентом на изобретение.

4. Предложена методика экспериментального исследования КДВС с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины на испытательном стенде.

5. Установлено, что при применении малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины:

- уменьшается удельный эффективный расход топлива на частичных режимах работы двигателя ГАЗ-542Н до 7.6% и двигателя Д-442 до 8,8 %;

- повышается среднее эффективное давление на режиме максимального крутящего момента двигателя ГАЗ-542Н до 4,6% и двигателя Д-442 до 5,2%;

- расширяется скоростной диапазон работы двигателя ГАЗ-542Н до 8,5% и двигателя Д-442 до 8%.

6. Получена экспериментальная зависимость располагаемой работы турбины от угла поворота парциальной заслонки.

7. Предложена методика проектирования малоразмерного турбокомпрессора с регулируемым парциальной заслонкой БНА турбины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Магзумьянов, Радик Фаатович, 2000 год

1. Высокий наддув дизелей / Н.Н.Иванченко, О.Г.Красовский, С.С.Соколов.-Л.Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983.-198с.,ил.

2. Гатауллин Н.А. Разработка, исследовательские испытания и доводка малоразмерных турбокомпрессоров // Дисс.канд.техн.наук.-Казань, КГТУ им.А.Н.Туполева.1998.

3. Губарев А.В., Филипов Г.А., Лазарев Л.Я., Пандья А.Д. Методика проектирования и результаты исследования безлопаточного направляющего аппарата для радиально-осевых турбин.//Изв.ВУЗов. Авиационная техника,1962,- №2. С.113-123.

4. Губарев А.В., Филиппов Г.А., Пандья А.Д. Безлопаточный направляющий аппарат для центростремительных турбин.// Энергомашиностроение.1963,-№2,- С. 38-39.

5. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С.Орлина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1983.372с.

6. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 14846-81.

7. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. ГОСТ 18461-81.

8. Дехович Д.А. Расчет потока в безлопаточной части соплового аппарата радиальной турбины. // Энергомашиностроение.-1966.- №8.- С. 24-26.

9. Дорменев С.И., Банник А.П., Коваль И.А., Моргулис Ю.Б. Тракторные моторно-трансмиссионные установки с двигателями постоянной мощно-сти.-М. Машиностроение, 1987.-184с.

10. Драгунов Г.Д., Васильев Е.Ж. Учет потерь в радиально-осевой турбине при расчете ее характеристик. //Сб.Научных трудов Челябинского политехнического института. -1979.-№233.-С.55-59

11. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.-М. Машиностроение, 1975.-559с.

12. Каминский В.Н. Научные основы создания малоразмерных турбокомпрессоров для быстроходных транспортных двигателей. //Дисс.доктора техн.наук.-КамАЗ, Набережные Челны, 1986.-417с.

13. Каминский В.Н., Люгарин М.М., Магзумьянов Р.Ф. Турбокомпрес-сор./А.с. №1650917 СССР МКИ Р01Д17/04, F04B27/00. Опубл.23.05.1991.Бюл. №19.8с.

14. Кострынин В.Ф. Течение газа в кольцевом канале безлопаточного направляющего аппарата радиальной турбины. //Труды ЦНИИМФ,- 1965,- Вып. 62,- С. 28-33.

15. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. :Справочник,- 4-е изд., перераб. и доп.- Л.Машиностроение,1989.-701 с.

16. Кругов В.И., Рыбальченко А.Г. Регулирование турбонаддува ДВС. -М.:Высшая школа, 1978.-213с.

17. Левкович С.Л., Тихоненко А.Т., Тихоненко Н.С. Методика определения мгновенного расхода газа через импульсную турбину. //Сб. "Двигатели внутреннего сгорания"ХГУ.-1983.-Вып.38-С.55-64.

18. Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. -М.Машиностроение,!979.-447с.

19. Магзумьянов Р.Ф. Устройство для регулирования давления наддува двигателя внутреннего сгорания./Патент на изобретение №2131981 РФ МКИ 6F02B37/22. Опубл. 20.06.1999. Бюл.№17,8с.

20. Магзумьянов Р.Ф. Устройство для наддува двигателя внутреннегосгорания. /А.с. №1401152 СССР МКИ. Р02Д23/00, F02B37/00. Опубл. 07.06.1988. Бюл.№21.2с.

21. Магзумьянов Р.Ф. Разработка турбокомпрессора с регулируемым безлопаточным направляющим аппаратом турбины // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения" г.Наб. Челны. КамПИ, 1995.С. 68-69.

22. Магзумьянов Р.Ф. Испытания турбокомпрессора с регулируемым БНА турбины в полевых условиях. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Молодая наука новому тысячелетию". г.Наб. Челны. КамПИ, 1996. С. 178.

23. Магзумьянов Р.Ф. Разработка и исследование турбокомпрессора с регулируемым безлопаточным направляющим аппаратом //Тезисы докладов Все-росийской молодежной научно-технической конференции "Проблемы энергомашиностроения" г.Уфа. УГАТУ, 1996. С.9.

24. Магзумьянов Р.Ф. Зависимость удельной адиабатной работы турбины от угла поворота заслонки регулируемого турбокомпрессора // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции "Механика машиностроения". г.Наб.Челны. КамПИ, 1997.С.78-79.

25. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока.-М.Машиностроение, 1972.-332 с.

26. Преображенский В.Н. Теплотехнические измерения и приборы. :Учебник для ВУЗов.-3-е изд.,перераб.-М.: Энергия,1978,- 704 с.

27. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. ГОСТ 8.207-76.

28. Рудой Б.П. Прикладная нестационарная гидрогазодинамика.

29. Учебное пособие,- Уфа, УАИ, 1988.- 184 с.

30. Рудой Б.П. Теория газообмена ДВС: Учебное пособие. -Уфа, УАИ, 1978,- 109 с.

31. Савельев Г.Н., Стефановский Б.С. Проектирование турбокомпрессоров: Учебное пособие.- Ярославль :ЯПИ, 1977.-90с.

32. Савельев Г.Н., Лямцев Б.Ф., Аболтин Э.В. Опыт доводки и производства турбокомпрессоров автомобильных дизелей :Учебное пособие. -М., 1986.-94с.

33. Савельев Г.Н., Зайченко Е.Н., Озимов П.Л., Лямчев Б.Ф. Влияние угла входа потока в колесо на характеристику малоразмерной центростремительной турбины. //Энергомашиностроение.-1975.№3.-С.35-37.

34. Селезнев К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчет тур-бокомпрессоров.//Машиностроение,- Л.,1968,- 408 с.

35. Системы регулирования давления наддува тракторных и комбайновых дизелей: Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш,-Сер."Тракторы и двигатели". М., 1982,-Вып.З.-40с.

36. Системы и агрегаты газотурбинного наддува двигателей промышленных тракторов: Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш,-Сер."Тракторы и двигатели".-М., 1982. -Вып. 16. -56 с.

37. Скув Э. Наддув двигателей внутреннего сгорания и расчет их мощ-ности.-М.,1978.-ВЦП № А-438228.-52 с.

38. Современные устройства для регулирования наддува двигателей внутреннего сгорания тракторов и сельскохозяйственных машин: Обзорная информация ЦНИИТЭИ тракторсельхозмаш.-Сер."Тракторы, самоходные шасси и двигатели, агрегаты и узлы".-М.,1979.-Вып.17-37с.

39. Степанов Г.Ю. Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей. -М.: Машгиз, 1958,- 350 с.

40. Турбонаддув современных бензиновых двигателей : Обзорная информация НИИавтопрома.-Сер. "Автомобильные двигатели и топливная аппаратура".-М. ,1982.-44с.

41. Турбомашины и МГД-генераторы газотурбинных и комбинированных установок. В.С.Бекнев, В.Е.Михальцев, А.Б.Шаберов, Р.А.Янсон. М. Машиностроение,1983,-392с.,ил.

42. Ханин Н.С., Шерстюк А.Н., Зайченко Е.Н., Динеев Ю.Н. Наддув и нагнетатели автомобильных двигателей. -М.Машиностроение,1965.-219с.

43. Хачиян А.С., Морозов К.А. И др. Двигатели внутреннего сгорания.-М.:Высшая школа, 1985.- 311 с.

44. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин.-М.: Машиностроение, 1986. -432с.

45. Хуциев А.И., Широких Э.В. Способ работы дизелей с высоким наддувом и автоматически изменяемой степенью сжатия.//Двигателестроение.-М., 1986.-№10.- с.7-9.

46. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания. -JL: Машиностроение, 1978.-264 с.

47. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности.-М.Машиностроение, 1976,- 208 с.

48. Dale A., Watson N. Vaneless radial turbocharger turbine perfomange.//J. Mench. E., Conference turbochangers and turbocharging,1986. Paper с 110/86.

49. Egli H. Evolution and outlokk of turbochar-gers for vehicle engines.//J. Mech. E.,Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper С 115/86.

50. Holzhausen G.H.,Alfand D.L. Powertransfer to improve transient response of a turbocharged diesel engine.//JMech. E.,Conference Turbochargers and Tur-bochrging, 1982, Paper C41/82.

51. Franklin P.C. Walsham B.E. Variable geometry turbochargers in the field.//J.Mech. E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper С 121/86.

52. Laschko V.A. Berechnung der instationaren Stromung im Abgassystem eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit Multistos- Converter."Wiss.Z. Wilheim-Pieck-Univ. Rostok. Natur-Wiss. R." 34.Jahrgang.1985. Heft 8. s. 26-30.

53. Mccutcheon A.R.S., Brown M.W.G. Evalution of a variable geometry turbocharger turbine an a commercial diesel engine//J. Mech. E.,Conference Turbo-chargers and Turbochrging, 1986,Paper C. 104/86.

54. Rosenkranz H.- G. Zum Beschleunigungsverhalten von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren mit basturboaufladung. Institut fur Technische Verbrenung Universi-tat stutt-gard, 1982, 239 s.

55. Sakakida M., Kurota K., Misaki N., Funavama K., Vumoto M., De-velooment of small, hign specific speed radialinflow turbines for automative turbo-chargers.// J. Mech.E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986. Paper C122/86.

56. Sumi V., Vamane K. Recent development of high response turbochargers for passenger cars.//J.Mech.E., Conference Turbochargers and Turbocharging, 1986.Paper С107/86.

57. Watson N.,Janota M.S. Turbocharging the internal combustion Engine. The Macmillan Press Ltd.-l982.-608 p.

58. Watson N. Turbocharging developments on vehicle diesel engines.'SAE Techn.Pap. Ser'. 1985, №850315.-49-66 p.