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 зондовэкспериментальное исследование ВУ осевых турбин сложной формы (неулиточного типа) — определение влияния соплового аппарата турбины на структуру потока в ВУразработка математической модели расчета трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины. Проверка адекватностичисленное моделирование ВУ осевых турбин на базе математической модели трехмерного потока невязкой несжимаемой жидкости и отражение результатов моделирования в разработке рекомендаций по совершенствованию ВУ осевых турбинаэродинамическое 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 формыразработана математическая модель расчета трехмерного потенциального потока несжимаемой жидкости в ВУ осевой турбины сложной формы и проверена ее адекватностьпредложены методы аэродинамического совершенствования ВУ осевых турбин турбокомпрессоров судовых среднеоборотных дизелейна 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 турбинырекомендации 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

.

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.