Разработка и создание высокоэффективных вентиляторных устройств систем охлаждения автотракторных ДВС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Двали, Денис Юрьевич

• Двали, Денис Юрьевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Двали, Денис Юрьевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Условные обозначения

Глава 1. ВЕНТИЛЯТОРЫ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Глава 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДИАГОНАЛЬНОГО ВЕНТИЛЯТОРА.

2.1 Постановка задачи и основные постулаты математической модели

2.2 Параметры, задаваемые при расчете вентилятора

2.3 Расчетные формулы

2.4 Программа и результаты расчета диагонального вентилятора

2.5 Выводы

Глава 3. ПРОФИЛИРОВАНИЕ ЛОПАТКИ ДИАГОНАЛЬНОГО

ВЕНТИЛЯТОРА

Глава 4. , ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ ЛОПАТКИ ДИАГОНАЛЬНОГО

ВЕНТИЛЯТОРА

Глава 5. РАСЧЕТ ТЕЧЕНИЯ В ДИАГОНАЛЬНОМ ВЕНТИЛЯТОРЕ С

ВЫХОДНЫМ ДИФФУЗОРОМ

Глава 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГОНАЛЬНЫХ ВЕНТИЛЯТОРОВ И ВЫХОДНЫХ ДИФФУЗОРОВ

6.1 Экспериментальная установка, схема и методика измерений

6.2 Методика обработки результатов измерений

6.3' Оценка погрешности результатов испытаний

6.4 Объекты испытаний

6.5 Результаты испытаний диагональных вентиляторов

6.6 Выводы

г

Основные выводы и результаты работы

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2

!

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание высокоэффективных вентиляторных устройств систем охлаждения автотракторных ДВС»

-4-ВВЕДЕНИЕ

Одним из наиболее действенных и распространенных способов повышения мощностных и экономических показателей поршневых автомобильных ДВС в настоящее время является применение турбонаддува. За счет промежуточного охлаждения наддувочного воздуха удается дополнительно повысить мощность двигателя на 10-17 % , снизить удельный расход топлива на 5-7 % и уменьшить содержание вредных веществ в отработавших газах. В этих условиях форсированный двигатель и горячий наддувочный воздух нуждаются в интенсивном охлаждении. Несмотря на распространение применения в качестве набивки теплообменных матриц прогрессивных пластинчато-ребристых поверхностей с интенсификацией теплоотдачи / 1 /, актуальность повышения эффективности охлаждения за счет увеличения количества холодного агента, проходящего через блок теплообменников (радиатор, ОНВ, маслоохладитель и т.д.) не вызывает сомнения, особенно если учесть тепловое влияние теплообменников друг на друга при последовательном расположении по потоку охлаждающего воздуха. Повышение плотности набивки современных теплообменников и большое их количество в системе охлаждения приводят к значительному росту сопротивления движению охлаждающего воздуха. Существенную прибавку к величине аэродинамического сопротивления подкапотного пространства (сети) привносит шумоизоляционное ограждение (капсулирование) двигателя. Таким образом, для адекватного охлаждения двигателя современного автомобиля требуется вентилятор, обеспечивающий высокие показатели по производительности и напору при высоком коэффициенте полезного действия, как факторе непосредственно влияющим на топливную экономичность двигателя. Тот факт, что традиционные автомобильные вентиляторы уже не в состоянии удовлетворять вышеупомянутым повышенным требованиям обуславливает актуальность настоящей работы, цель которой - разработка высокоэффективного

вентилятора для системы охлаждения турбопоршневого двигателя тяжелонагруженного транспортного средства.

В основу разрабатываемого вентилятора была положена схема диагонального течения рабочего тела. В диссертации подробно изложены причины в пользу подобного выбора. Однако в то время, когда за рубежом ведутся широкие исследования по созданию диагональных ступеней для охлаждения автомобильных ДВС, в отечественном автомобилестроении нет ни одной промышленной разработки в этой области. Научная новизна данной работы заключается в разработке математической модели диагонального вентилятора, включающей методику расчета колеса этого типа и профилирования его проточной части. Кроме того, теоретически рассмотрена и экспериментально проверена возможность существенного повышения показателей диагонального вентилятора с помощью короткого выходного диффузора, имеющего большой приведенный угол раскрытия (до 60°), что является важным обстоятельством, т.к. длина диффузора может быть решающим фактором, определяющим возможность его установки в условиях крайне плотной компоновки агрегатов в подкапотном пространстве автомобиля.

I

С практической точки зрения данная работа представляет ценность, как руководство для промышленных разработок диагональных вентиляторов, включающее в себя все этапы научного проектирования от постановки задачи до подведения итогов по результатам испытаний готового образца. Настоящее исследование может послужить также теоретической и практической базой для продолжения работ по данной теме, направленных на углубленное изучение процессов течения в диагональных колесах, с целью их дальнейшего совершенствования.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Ь - хорда профиля, [м];

В0- атмосферное давление , [Па];

ЬА - густота рабочей решетки вентилятора;

с - абсолютная скорость газа, [м/с];

С - ширина рабочей решетки вентилятора, [м];

Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления профиля;

Су- коэффициент подъемной силы профиля;

О - диаметр, [м];

отношение кольцевых площадей на входе и выходе рабочего колеса; /2//\ - отношение площадей выходного и входного сечений диффузора;

0 в - расход воздуха, [кг/с];

— *

Нв - коэффициент статического давления на колесе вентилятора; Нст- коэффициент статического напора;

1 - угол атаки, [град]; /- высота лопатки, [м];

4 > 1Г, Ьд, ¡пол - удельная работа (эйлерова, диссипации, адиабатического и

2 2

политропического сжатия), [м /с ]; А/п - удельная работа, затраченная на диссипацию энергии в диффузоре; Мв - крутящий момент на валу вентилятора, [Н-м]; Муу - число Маха по относительной скорости потока; п - частота вращения вентилятор , [об/мин]; Л^в - мощность, расходуемая на привод вентилятора, [Вт]; Л/в - коэффициент потребляемой мощности; Лрст - перепад статического давления , [Па]; Лрв - перепад статического давления на колесе вентилятора, [Па]; К - газовая постоянная [Дж/кг-К]; г - радиус рабочего колеса вентилятора, [м]; гт - радиус конической развертки поверхности тока, [м];

Аг - радиальный зазор между лопаткой и кожухом вентилятора , [м]; Яе - число Рейнольдса; I - шаг решетки, [м];

Т\ - температура воздуха на входе в вентилятор, [К]; и - окружная скорость, [м/с];

о

Ув - объемный расход воздуха, [м/с];

V - коэффициент расхода (производительности) вентилятора;

- относительная скорость газа, [м/с]; м^оо- средняя геометрическая скорость натекания на решетку, [м/с]; X, У, 2- координаты в радиальном, окружном и осевом направлениях; Хп, V, 2П - оси координат, повернутые вокруг оси У на угол уп ; хр, ур - координаты средней линии профиля в развертке; X/ - относительная координата максимального прогиба профиля; ^ - число лопаток вентилятора;

у? - угол между вектором относительной скорости и фронтом рабочей

решетки, [град]; /?к - конструктивные (лопаточные) углы решетки, [град]; До - средний угол натекания на решетку, [град]; у - угол установки профиля, [град]; уп- угол поворота осей, [град]; д - угол отставания потока, [град]; цв - КПД колеса вентилятора; г}д - энергетический КПД диффузора; г]ст - статический КПД вентилятора; в - кривизна профиля, [град]; Я - относительная (безразмерная) скорость потока; ¡л - обратное качество профиля;

£ - угол между вектором скорости потока и меридиональным направлением, [град];

р - плотность воздуха, [кг/м ];

сгд - коэффициент восстановления статического давления в диффузоре; <7д*- коэффициент восстановления полного давления в диффузоре; и - угол между вектором относительной скорости и меридиональным

направлением, [град]; ср - угол изгиба профиля (между установочной линией и конструктивным

углом профиля), [град]; (ра - коэффициент осевой скорости;

(р - безразмерный параметр, характеризующий соотношение углов изгиба

профиля и (¡92 на входе и выходе решетки; ц/ - угол образующей конической поверхности тока, [град]; со - угловая скорость вращения, [с-1].

Сокращения и индексы

1 - входное сечение рабочего колеса;

2 - выходное сечение рабочего колеса; а - осевая составляющая скорости;

/ - номер расчетной струйки;

т - меридиональная составляющая скорости;

тах - максимальное значение;

min - минимальное значение;

и - окружная составляющая скорости;

в - вентилятор;

В - воздух;

вх - входное сечение диффузора; вьгх - выходное сечение диффузора; ВУ - вентиляторное устройство; д - диффузор; К - колесо (вентилятора); ном - номинальное значение;

опт - оптимальное значение;

ОНВ - охладитель наддувочного воздуха;

прив - приведенный параметр;

р - рабочая решетка;

РК - рабочее колесо;

СА - сопловой аппарат;

' - корневое сечение;

"- периферийное сечение.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Двали, Денис Юрьевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана математическая модель колеса диагонального вентилятора, на основании которой создана программа вариантного расчета такого колеса на ЭВМ. Определены критерии выбора наиболее рационального варианта вентилятора, обеспечивающего заданные параметры при высокой эффективности и приемлемых конструктивных параметрах.

2. Разработана методика и компьютерная программа профилирования лопаток диагонального вентилятора. Освоена технология изготовления лопаток и опытных образцов вентиляторов, включая разработку приспособлений.

3.На основании разработанных методик создана серия диагональных вентиляторов для охлаждения двигателей различной категории мощности.

4. Проведен расчетный анализ течения в межлопаточных каналах диагонального вентилятора и в объеме выходного кольцевого конического диффузора, в результате чего определена картина распределения скоростей в расчетной области, включающей цилиндрический входной участок, собственно колесо и выходной диффузор.

5. Во время испытаний диагональных вентиляторов были получены следующие результаты:

- ДВМК-3 : коэффициент статического напора Яст= 0,41 при статическом КПД г}ст = 0,45 и коэффициенте расхода V = 0,185 ;

- ДВ-5 : Яст= 0,32 при г}^ = 0,51 и ¥= 0,185 ; -ДВ-7': Яст ~ 0,26 при г\т = 0,53 и V = 0,175.

6. Сравнительные испытания опытных диагональных колес и выпускаемых осевых автомобильных вентиляторов показали преимущество первых как по напору, так и КПД. Высокие напор и производительность диагональных вентиляторов позволят обеспечить эффективное охлаждение форсированных двигателей. Затраты мощности на привод разработанных вентиляторов, требуемые для создания определенного перепада давления, меньше по сравнению с осевыми в 1,3 - 1,6 раза, что является предпосылкой для снижения расхода топлива на 1,5 - 2 %. I

7. Для обеспечения создаваемых штатным осевым вентилятором системы охлаждения двигателя автомобиля ГАЗ-3302 «Газель» расхода воздуха и напора, частоту вращения диагонального вентилятора ДВ-7 можно снизить на 300 об/мин по сравнению с номинальной для данного двигателя («ном = 4500 об/мин).

8. Испытания диагонального вентилятора ДВ-5 с короткими выходными диффузорами показали, что установка последних позволяет значительно улучшить основные показатели вентиляторной установки (увеличить напор на 11 %, а КПД в 1,2 раза). Высокую эффективность двух из трех испытанных * диффузоров определяет практическое отсутствие срывов потока газа при работе с диагональными вентиляторами, несмотря на весьма значительные эквивалентные углы их раскрытия (до 63°).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Двали, Денис Юрьевич, 1999 год

-158-Список литературы

1. Кустарев Ю.С. Разработка и развитие систем охлаждения над дувочного воздуха перспективных турбопоршневых двигателей. ; дисс. на соиск. уч. степ, д.т.н., М., 1989.

2. Штюклшвайгер В. Экспериментальный анализ шума - важная задача в процессе разработки двигателя. ; Материалы научно-технической конференции, Владимир, 1998 .

3. Хмельницкий Э.Е. Снижение энергетических потерь и шума при подаче воздуха, охлаждающего автомобильный двигатель. ; М., НИИстандартавтосельхоэмаш, 1991 .

4. Kawabata К., Saiton М. Application of a mixed flow fan for quiet heavy-duty vehicles.; SAE Tech. Pap. Series , № 861945, 1986.

5. Hawes S.P. Mixed flow fan.; UK Patent #1 596 749, 1981.

6. Hawes S.P. Fans.; UK Patent #1 328 082, 1973.

7. Nishikawa Y. Diagonal-flow fan wheel with blades of developable surface shape.; US Patent #4,401,410,1983.

8. Nishikawa Y., Harada C., Nacano M. Single curvature wheel of a diagonal flow fan.; US Patent #4,362,468,1982.

9. Parst-Motoren KG, Fans.; UK Patent #2 014 658,1979.

10. V.U. Minkus und M. Rautenberg Strömungsuntersuchunge an konventionellen Kühllüfter fur Nutzfahrzeug. ; Motortechnische Zeitschrift № 55, 1994. '

11. Патент США, № 4128363, кл. 416/236.

12. Katagiri Н. Automotive mixed flow fan with guide vanes faces. ; SAE Tech. Pap. Series, № 800034,1980.

13. Katagiri H., Taniguchi Y., Suzuki M. Characteristics Evaluation of Engine Cooling Fans and Effects of Fan Geometries on Their Performance. ; JSAE Rewiew, July 1983.

14. Hofe R., Thirn G. Weitere Untersuchungen an gerausoharmen Kühlsystemen fur Fahrzeugmotoren.; ATZ № 4,1987.

15. Патент США, № 4519Э43, кл. 123/41.49.

16. Патент США, № 4417636, кл. 180/68R.

17. Поляков В.В., Скворцов Л.С. Насосы и вентиляторы. ; М., Стройиздат, 1990.

18. Брусиловский И.В. Вентиляторы с меридиональнымм ускорением потока. - В кн. Промышленная аэродинамика, вып. 24, М., 1962.

-15919. Иванов С.К. Исследование вентиляторов с меридиональным ускорением потока.; Дисс. на. соиск. уч. степ, к.т.н., Донецк, 1971.

20. Бак О. Проектирование и расчет вентиляторов.; М., Углехимиздат, 1958.

21. Степанов А.И. Центробежные и осевые компрессоры, воздуходувки и вентиляторы.; М., Машгиз, 1960.

22. Стечкин Б.С., Казанджан П.К., Алексеев Л.П., Говоров А.Н., Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория реактивных двигателей. ; М., Оборонгиз, 1956.

23. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.; М., Наука, 1969.

24. Пак В.В., Иванов С.К., Верещагин В.В. Шахтные вентиляционные установки местного проветривания.; М., Недра, 1974.

25. Howell Design of Axial Compressors. ; W. E. I. No. 12, Inst. Mech. Engrs, Proc., 1947.

26. Carter Three-Dimensional - Flow Theories for Axial Flow Compressors and Turbines. Lectures on the Development of Internal Combustion Turbines, Inst. Mech. Engrs. Reprinted by A. S.M. E., 1949.

27. Комаров А.П. Исследование плоских компрессорных решеток. - В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты.; М., Машиностроение, 1967.

28. Бунимович А.И., Святогоров А.А. Обобщение результатов исследования плоских компрессорных решеток при дозвуковой скорости - В кн.: Лопаточные машины и струйные аппараты.; М., Машиностроение, 1967.

29. Emery I. С. and oth. Systematic two-dimensional cascade tests of NASA 65-series compressor blades at low speeds.; NASA Report 1368, 1958.

30. Гегин А.Д. Расчет оптимального угла атаки диффузорной решетки профилей. - В кн. Промышленная аэродинамика., вып. 32 ; М., Машиностроение, 1975.

31. Бекнев B.C. Профилирование плоских диффузорных решеток при докритических скоростях натекания потока. - Изв. вузов СССР. ; М., Машиностроение, 1970, № 5.

32. Брусиловский И.В. Выбор густоты решетки профилей и угла атаки в осевых вентиляторах. - В кн. Промышленная аэродинамика., вып. 32 ; М., Машиностроение, 1975.

33. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. ; М., Машиностроение, 1984.

34. Степанов Г.Ю. Основы теории лопаточных машин, комбинированных и газотурбинных двигателей.; М., Машгиз, 1958.

35. Бывальцев П.М., Иванов М.Я. Быстрый метод расчета пространственных трансзвуковых потенциальных течений в венцах турбомашин.; Журнал ВМиМФ, т. 32, №7, 1992.

-16036. Пешехонков Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах.; М., Оборонгиз, 1962.

37. Взоров Б.А., Адамович A.B., Арабян А.Г. и др. Тракторные дизели. Справочник. / Под общ. ред. Б.А.Взорова ; М., Машиностроение, 1981.

38. Горбунов Г.М., Солохин Э.Л. Испытания авиационных ВРД. ; М., Машиностроение, 1967.

39. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэродинамические измерения, методы и приборы.; М., Наука, 1964.

40. Behr ; патент ФРГ, № 3304297, кл. F04D 29/32.

41. Бундин A.B. Удельный теплосброс в систему охлаждения форсированного наддувом дизеля.; Двигателестроение, № 9, 1980.

42. Загидуллин Р.Я. Разработка и исследование системы охлаждения наддувочного воздуха дизелей грузовых автомобилей. ; дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н., М., 1993.