Совершенствование входных устройств осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей на основе физического эксперимента и численного моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Кериди, Панает Георгиевич

• Кериди, Панает Георгиевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кериди, Панает Георгиевич

Список сокращений и аббревиатур

Список обозначений

Введение

Глава 1. Анализ методов проектирования входных устройств турбомашин и постановка задачи исследования

1.1. Эмпирические и полуэмпирические модели в методиках проектирования входных устройств турбомашин

1.2. Теоретические методы расчета входных устройств турбомашин

1.3. Постановка задачи исследования

Глава 2. Экспериментальная установка, объекты и методика исследования входных устройств осевых турбин

2.1. Описание экспериментальных установок и объектов исследования

2.2.Методика исследования входных устройств осевых турбин

Глава 3. Аэродинамическое исследование входного устройства осевой турбины агрегатов наддува и разработка математической модели 57 3.1. Входное устройство с односторонним подводом рабочего тела 58 3.2.0братное влияние соплового аппарата турбины на распределение параметров во входном устройстве

3.3. Математическая модель трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости

3.4. Проверка адекватности математической модели в сравнении с результатами точных решений и экспериментальными данными

Глава 4.Совершенствование входных устройств осевых турбин на основе анализа результатов экспериментальных исследований и численного моделирования 92 4.1. Совершенствование входных устройств осевых турбин на основе численного моделирования

4.2. Аэродинамическое исследование входного устройства осевой турбины с симметричным подводом рабочей среды с двумя газоприемными патрубками спрофилированного на основе численного моделирования

4.3. Аэродинамическое исследование входного устройства осевой турбины с симметричным подводом рабочей среды с одним газоприемным патрубком спрофилированного на основе численного моделирования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование входных устройств осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей на основе физического эксперимента и численного моделирования»

Актуальность проблемы исследования. На судах морского и речного флота различного назначения в качестве главного и вспомогательного двигателей применяется двигатель внутреннего сгорания, мощность которого в последних модификациях достигает несколько десятков мегаватт. Основным направлением повышения технико-экономических показателей судовых двигателей является совершенствование, как самих двигателей, так и агрегатов наддува.

В настоящее время в качестве агрегатов наддува судовых дизелей наибольшее распространение получили турбокомпрессоры:

• отечественных производителей: Брянского машиностроительного завода, Специального конструкторского бюро турбонагнетателей и дизелестроительного завода (г. Пенза) и др.;

• зарубежных производителей: «ASEA BROWN BOVERI» (ABB, Швейцария), MAN B&W Diesel (Германия-Дания), CATERPILLAR (CAT, США) и др.

Повышение цен на нефтепродукты, ужесточение экологических требований на морском и речном транспорте, конкурентная борьба между производителями двигателей и агрегатов наддува за рынки сбыта потребовали от предприятий дальнейшего совершенствования производства, улучшения качества и снижения себестоимости продукции. В последнее время основное внимание в сфере производства двигателей и агрегатов наддува было сконцентрировано на следующих направлениях:

• улучшение качества топливосгорания и газообмена дизеля;

• повышение уровня форсировки и мощности дизеля;

• уменьшение удельного расхода топлива на установку;

• улучшение качества работы дизеля на частичных нагрузках;

• возможность работы на тяжелом топливе все более низкого качества;

• увеличение КПД и степени повышения давления агрегатов наддува;

• расширение возможностей утилизации существующего энергетического потенциала.

Разработкой теории и расчетами турбин и компрессоров в составе агрегатов наддува судовых двигателей, изучением вопросов их совместной работы с двигателем, совершенствованием технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов занимались многие известные инженеры и ученые России: Байков Б.П., Ваншейдт В.А., Бордуков В.Т., Дейч Р.С., Дехович Д.А., Камкин С.В., Иванченко Н.Н., Круглов М.Г., Орлин А.С., Петровский Н.В., Розенберг Г.Ш., Межерицкий А.Д., Возницкий И.В. и многие другие, внесшие значительный вклад в совершенствование методов проектирования, конструкций и технической эксплуатации турбонаддувочных агрегатов. Следует также отметить исследования в данном направлении зарубежных ученых Бенена Р., Майера Е., Симпсона А.Э.

Одним из направлений повышения эффективности агрегатов наддува является аэродинамическое совершенствование входных устройств (ВУ) турбины. Это актуально особенно в тех случаях, когда по условиям компоновки агрегата наддува на дизеле ВУ газовой турбины имеет сложную форму (как по направлению движения рабочей среды, так и по изменению поперечных сечений потока), отличающуюся от ВУ улиточного типа. Опубликованных результатов исследований по ВУ осевых турбин такого типа нет. Аэродинамическое совершенствование ВУ турбин может выполняться на основе экспериментальных исследований на специальных стендах или численных методов. В свою очередь численные методы могут быть разработаны на основе модели течения идеальной или вязкой жидкости. Реализация модели идеальной жидкости позволяет с требуемой точностью обеспечить создание такого метода, но требует разработки граничных условий, проверки адекватности и т.п. Модель течения вязкой жидкости дает более точный результат, но требует дополнительных затрат на использование дорогого программного обеспечения и адаптацию программного комплекса на исследуемый объект.

Исследования проводились по поручению ОАО СКБТ (г. Пенза).

Объект исследования — ВУ осевой турбины современных агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей.

Предмет исследования — аэродинамическое совершенствование ВУ современных агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей.

Цель диссертационной работы — совершенствование ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей на основе физического эксперимента и численного моделирования.

В соответствии с объектом, предметом, проблемой и целью исследования поставлены следующие задачи: изготовление стенда для исследования элементов турбин агрегатов наддува и специальных аэродинамических зондов; экспериментальное исследование ВУ осевых турбин сложной формы (неулиточного типа); определение влияния соплового аппарата турбины на структуру потока в ВУ; разработка математической модели расчета трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины. Проверка адекватности; численное моделирование ВУ осевых турбин на базе математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости и отражение результатов моделирования в разработке рекомендаций по совершенствованию ВУ осевых турбин; аэродинамическое исследование на экспериментальном стенде натурных моделей ВУ, полученных путем численного моделирования.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе используются методы аэродинамического экспериментального исследования и численного моделирования.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: получены экспериментальным путем аэродинамические характеристики входного устройства, распределение параметров потока как внутри, так и на выходе из ВУ осевой турбины сложной формы (не улиточного типа); определено обратное влияние соплового аппарата турбин на распределение параметров потока в ВУ осевой турбины сложной формы; разработана математическая модель расчета трехмерного потенциального потока несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины сложной формы и проверена ее адекватность; предложены методы аэродинамического совершенствования ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелей; на основании результатов расчета и предложенных методов совершенствования ВУ изготовлены натурные модели входных устройств, а также проведены экспериментальные аэродинамические исследования.

Теоретическое значение результатов работы заключается в получении эмпирических зависимостей и математической модели расчета ВУ осевых турбин сложной формы, позволяющих выполнять расчет таких ВУ.

Практическая значимость работы состоит в том, что результаты аэродинамических экспериментальных исследований (входных устройств с сопловым аппаратом и без него) и математическая модель расчета ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей применяются в виде рекомендаций по совершенствованию конструкций ВУ и программного комплекса. Это позволяет их использовать при проектировании и изготовлении турбокомпрессоров судовых дизелей.

Результаты экспериментальных исследований и разработанная математическая модель расчета внедрены в СКБТ (г. Пенза), используются в учебном процессе профилирующих кафедр СПбГМТУ и НГМА.

Достоверность научных результатов достигается комплексным использованием известных, проверенных практикой методов проведения аэродинамического эксперимента, тарировкой аэродинамических зондов, разработкой математической модели расчета на основе метода конечных элементов и фундаментальных законов и уравнений термодинамики и газодинамики, проверкой адекватности модели на точном решении и сравнении с результатами экспериментальных исследований.

На защиту выносятся: результаты аэродинамических экспериментальных исследований ВУ осевых турбин сложной формы (с сопловым аппаратом и без соплового аппарата); математическая модель расчета трехмерного потенциального потока несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины; рекомендации по совершенствованию ВУ осевых турбин сложной формы и результаты аэродинамических исследований ВУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных, всероссийских (всесоюзных) и отраслевых научно-технических конференциях (НТК): всесоюзные НТК «Жизнь и компьютер» (Харьков, 1990), МВТУ имени Н.Э. Баумана (Москва, 1991); всероссийская НТК «Проектирование, эксплуатация и ремонт энергетических установок и их элементов» (Новороссийск, 1999); международная НТК «Надежность и ремонт машин» (Орел, 2005); НТК в СПбГМТУ и НГМА (Новороссийск, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Результаты исследований представлены в 3 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным НИР.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списков использованной литературы (52 наименования) и списка опубликованных научных работ автора.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Кериди, Панает Георгиевич

Заключение

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований входных устройств осевых турбин агрегатов наддува судовых дизелей, получены следующие научные и практические результаты:

1. Аэродинамические испытания ВУ осевой турбины сложной формы позволили заключить, что поворот из осевого направления в тангенциальное и затем в осевое направление привело к трансформации потока и как следствие привело к наличию неоднородности потока в выходном сечении. Наличие соплового аппарата снизило окружную неравномерность параметров течения на входе на сопловые лопатки, локализовало зону отрыва, но общий характер течения, обусловленный сложностью пространственной формы, остался неизменным. По-прежнему более нагруженным является первый сегмент сопел.

2. Исследовано обратное влияние соплового аппарата на характер течения в ВУ осевой турбины. Проведенные аэродинамические испытания ВУ с различными вариантами соплового аппарата позволили установить, что при равенстве площади горла соплового аппарата максимальная неравномерность расхода в выходном сечении ВУ существует в сопловом аппарате с максимальными углами атаки. При равенстве геометрического угла входа в сопловой аппарат снижение площади горла приводит к снижению окружной неравномерности расхода.

3. Разработана математическая модель трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости. В качестве метода расчета потенциальной модели применена вариационная формулировка метода конечных элементов МКЭ. При задании граничных условий учтено наличие и обратное влияние соплового аппарата осевой турбины.

4. Выполнена проверка работоспособности программного комплекса и адекватности математической модели на точном решении и в сравнении с экспериментальными данными. Сравнение результатов расчета с точным решением позволяет сделать вывод о наличии относительной погрешности не более 0,48%. Выполненный расчет входного устройства осевой турбины сложной формы показал хорошую сходимость результатов расчета и эксперимента. Погрешность отклонений расхода в контрольных сечениях составила 2,5%.

5. Численное моделирование входного устройства с использованием математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости позволило оптимизировать внешние формы ВУ различных вариантов. Определены формы воздействия на характер течения и окружную неравномерность расходной составляющей скорости путем установки во внутренних каналах выступов и клиньев, а также путем установки поворотного канала и изменения радиусов кривизны профилируемых поверхностей. Выполнены вариантные расчеты и найдены оптимальные формы для предложенных заказчиком вариантов ВУ осевых турбин симметричных форм с одним и двумя газоприемными патрубками, даны рекомендации для профилирования сопловых лопаток.

6. Проведены аэродинамические испытания экспериментальных моделей ВУ с симметричным подводом рабочей среды с одним и двумя газоподводящими патрубками, изготовленными по результатам численного моделирования. Испытания проводились при наличии и без соплового аппарата. Получено значительное снижение неравномерности расходной составляющей скорости в выходном сечении ВУ.

7. При экспериментальном исследовании обратного влияния СА установлено, что геометрический входной угол СА оказывает основное влияние на окружную неравномерность параметров потока в выходном сечении ВУ. Получена зависимость относительной величины расходной составляющей скорости от величины угла атаки, которая может быть использована при численном моделировании ВУ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кериди, Панает Георгиевич, 2006 год

1. Афанасьева Н.Н, Бусурин В.Н., Гоголев И.Г. и др. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / Под общ. ред. Черникова В.А.

2. JL: Машиностроение, 1980. — 263 с.

3. Быков А.А. Свинаренко В.Т. Исследование пространственного потока в каналах турбомашин. — Препр.: Институт проблем машиностроения АН УССР, 1987. — № 249. — 28 с.

4. Васильева Г.Н., Зыков В.И. Расчет течения во входных патрубках с элементами, обтекаемыми с циркуляцией // Рабочие процессы компрессоров и установок с ДВС. — Л., 1987. — С. 3—7.

5. Герман В.А. Разработка метода расчета и оптимизация симметричных улиток и несимметричных кольцевых сборных камер центробежных компрессоров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Л.: ЛПИ, 1985. — 20 с.

6. Гоголев И.Г. Аэродинамические исследования входного патрубка газовой турбины // Изв. вузов. Энергетика. — 1959. — № 11.

7. Гоголев И.Г., Дьяконов Р.И., Заикин И.Д. Исследование совместной работы турбинной ступени с входным патрубком // Изв. вузов. Энергетика. — 1975.11.

8. Гоголев И.Г., Королев П.В., Кудашев Ю.Д., Магала В.А., Шифрин Б.Н., Экспериментальное исследование сопловой решетки с входным патрубком-улиткой // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. — 1978. — № 4.

9. Губарев А.В., Филиппов Г.А., Лазарев Л.Я., Пандьян А.Д. Методика проектирования и результаты исследования безлопаточного направляющего аппарата для радиально-осевых турбин // Изв. вузов. Авиационная техника. — 1962. —№2.

10. Довжик С.А., Картавенко В.М. Экспериментальное исследование входных патрубков осевых стационарных турбомашин // Сборник статей ЦАГИ.

11. Промышленная аэродинамика. — 1973. — Вып. 29.

12. Ю.Дорфман JI.A. Численные методы в газодинамике турбомашин. — М.: Энергия. —1974.

13. П.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. — М.: Мир, 1975.

14. Кериди П.Г., Николаев Н.И., Савченко В.А., Тихомиров В.А., Шмелев С.Х. Численное и экспериментальное исследование входных устройств осевой турбины агрегата наддува дизеля // Двигателестроение. —1996.—№ 3—4.

15. Кокорев В.М., Лихерзак Е.Е. Некоторые результаты исследования течения в газосборнике автомобильного ГТД методом конечных элементов // Двигателестроение. — 1981. — № 3.

16. М.Коннор Дж., Бреббиа К. Метод конечных элементов в механике жидкости. — Л., 1979.

17. Мигай В.К., Гудков Э.И. Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин. — Л.: Машиностроение, 1981.

18. Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. — М.: Машиностроение, 1974.

19. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Савченко В.А., Шмелев С.Х. Математическая модель расчета турбины и компрессора агрегата наддува ДВС с учетом экспериментальных данных // Сборник научных трудов НГМА. — Новороссийск: НГМА, 1999. — Вып. 4.

20. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Шмелев С.Х., Тихомиров В.А., Савченко В.А. Программный комплекс расчета трехмерного вихревого потока в патрубках турбомашин // Материалы всесоюзной научно-технической конференции «Жизнь и компьютер». — Харьков, 1990.

21. Николаев Н.И., Савченко В.А. Современное состояние и техническая эксплуатация турбонаддувочных агрегатов. — СПб.: Судостроение, 2005. — 113 с.

22. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. — М.-Л.: Машиностроение, 1965.

23. Розенберг Г.Ш., Ткачев Н.М., Кострыкин В.Ф. Центростремительные турбины судовых установок. — Л.: Судостроение, 1973.

24. Рухалин Г.И. Разработка метода расчета и исследование входных патрубков турбокомпрессоров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. — Л.: ЛПИ, 1979. — 17 с.

25. Сиволап Г.П., Жуков И.С. Развитие унифицированных трубокомпрессоров СКБТ для дизелей и газовых двигателей // Двигателестроение. — 1994.1. С. 54—56.

26. Табакофф, Шеоран, Кролл. Измерения параметров течения в улитке турбины // Теоретические основы инженерных расчётов. — 1980. — Т. 102.3.

27. Топунов A.M., Погодин Ю.М., Пшеничный В.Д., Шницер Г.Я. Судовые турбины, автоматизация проектирования и обработки экспериментальных данных: Учебное пособие. — JL: Изд. ЖИ, 1981.

28. Топунов A.M., Погодин Ю.М., Шуповаленко К.В. Определение осредненных показателей проточных устройств СЭУ: Учебное пособие. — Л.: Изд. ЛКИ, 1987.

29. Турбокомпрессоры для наддува дизелей: Справочное пособие. — М.: Машиностроение, 1975.

30. Хамед, Баскароне, Табакофф. Исследование течения в узле улитка — сопловый аппарат центростремительной турбины // Теоретические основы инженерных расчетов. — 1978. — Т. 100. — № 1. — С. 152—157.

31. Хирш Ч., Варзе Г. Метод конечных элементов для расчета течения в турбомашинах // Теоретические основы инженерных расчетов. — 1976. — №3. —С. 183—190.

32. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. — М.: Машиностроение, 1986.

33. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности.1. М.: Машиностроение, 1976.

34. Шерстюк А.Н., Мамедов З.М. О влиянии угла выхода потока и высоты канала безлопаточных направляющих аппаратов осевых турбин на ихэффективность // Труды МЭИ. — 1974. — Вып. 203.

35. Baines N.S., Watson N. Flow in single and twine entry radial turbine volutes // ASME Pap. — N. Lymberopoulos 1988. — № GT 58. — P. 1—8.

36. Chen Shou-Rue , Lee Samuel S., Huang Yuan Mao Mathematical Model For the Analysis of Fluid Flow in a Scroll // Trans. ASME. — 1986. — № 1.

37. Chiss Randall M., Hathay Machael D., Wood Jerry R. Experimental and Computational Results from The NASA Lewis Low-Speed Centrifugal Impeller at Design and Flow Conditions // ASME paper. — № 94-GT-213. — P. 1—44.

38. Giannakoglou K., Chaviaropous P., Papailiou K.D. Computation of rotational transonic flow using a decomposition method // AIAA Journal. — Athens National Technical University (Greece), 1988. — № 26. — 10 October.

39. Hideto Takaya, Kyooichi Vchiyama, Tsutomu Okazaki Turbine performance and flow at the nozzle passage in twine-scroll type variable geometry turbochargers // Trans. JSME. — 1988. — B. 54. — № 506. — P. 2792—2794.

40. Lakshminarasimha A., Tabakoff W., Metwally A. L.DV measurements in vortex region of a radial inflow turbine // AIAA Paper. — 1989. — № 1823. — P. 1— 12.

41. Nagao Mirumach A study of a vaneless nozzle for an axial turbine // 1-st Report Teoretical Analysis. — Urakawa Tokuro. — 1988. — B. 54. — № 505. — P. 2710—2715.

42. Niazi Saeid, Stein Alex, Sankar L.N. Development and Application of CFD solver to the Simulation of Centrifugal Compressors // AIAA Paper. — 98-0934(A98-16733), Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 36th , Reno, NV, Jan. 12-15, 1998.

43. Ren Qin, Fenming Yi, Hongguang Wang. A new variational finite element computation for aerodynamic inverse problem in turbines with long blades // ASME Pap. — 1988. — № 275. — P. 1—6.

44. Sieros G., Papailiou K.D. Design of Small Centrifugal Compressors Using Advanced Computational Means // ERCOFTAC (European Research Community on Flow Turbulence And Combustion). — Bulletin. — № 42. September 1999.

45. Публикации по теме диссертации

46. Опубликованные работы в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ

47. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Шмелев С.Х., Тихомиров В.А., Савченко В.А. Программный комплекс расчета трехмерного вихревого потока в патрубках турбомашин // Материалы всесоюзной научно-технической конференции «Жизнь и компьютер». — Харьков, 1990.

48. Кериди П.Г., Николаев Н.И., Савченко В.А., Тихомиров В.А., Шмелев С.Х. Численное и экспериментальное исследование входных устройств осевой турбины агрегата наддува дизеля // Двигателестроение. — 1996. — № 3—4.

49. Николаев Н.И., Кериди П.Г., Савченко В.А., Шмелев С.Х. Математическая модель расчета турбины и компрессора агрегата наддува ДВС с учетом экспериментальных данных // Сборник научных трудов НГМА. — Новороссийск: НГМА, 1999. — Вып. 4.

50. УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор