Анализ процессов износа входных устройств радиально-осевых турбин турбокомпрессоров судовых дизелей на основе расчета двухкомпонентной рабочей среды

Актуальность проблемы исследования. В качестве агрегатов наддува судовых среднеоборотных дизелей применяются турбокомпрессоры (ТК), имеющие высокие значения степени повышения давления и КПД. Благодаря разработкам ведущих фирм в области производства турбокомпрессоров, таких как ABB, MAN B&W, Mitsubishi, СКБТ (г. Пенза) и др., применены конструкторские решения для проектирования и последующего изготовления современных высоконапорных и экономичных ТК с осевой и радиально-осевой (РОС) турбинами судовых дизелей мощностью от 100 до 3500 кВт.

В ТК современных судовых четырехтактных дизелей мощностью до 3500 кВт, как правило, применяются РОС газовые турбины. Входные устройства (ВУ) таких турбин выполняются в виде улитки и могут быть как с направляющим аппаратом, так и без него (безлопаточные направляющие аппараты). Анализ отказов и неисправностей ТК по имеющимся на данный момент публикациям, свидетельствует о том, что их надежность в процессе эксплуатации не высокая. Одной из причин низкой надежности ТК с РОС турбиной является износ внутренней поверхности ВУ с безлопаточным направляющим аппаратом. В настоящее время сложилась ситуация, характерная тем, что исследования на стадии проектирования ТК, направленные на повышение надежности элементов турбомашин не в полной мере учитывают условия их реальной эксплуатации, не достигнут требуемый уровень надежности. Суть проблемы в том, что в качестве топлива в судовых дизелях используются тяжелые сорта вязкостью 180−380 сСт и более. Эксплуатация судовых дизелей на тяжелом топливе приводит к тому, что в продуктах сгорания образуются твердые взвешенные частицы. Эти частицы имеют различные размеры и форму, скорости и физические свойства. Присутствие твердых (абразивных) частиц в движущемся потоке уходящих газов (двухкомпонентная рабочая среда) дизеля при соприкосновении с поверхностью входного устройства, лопаточного аппарата РОС турбины ТК вызывает их изнашивание.

Изучение процессов движения двухкомпонентной рабочей среды в проточных частях РОС ступеней турбин ТК и влияние их на износ элементов турбин находится в начальной стадии. Поиск решения обозначенной проблемы диктует выбор объекта исследования и постановки цели и задач работы. Подтверждением правильности нашего выбора следует то, что в докладах на конгрессе С1МАС 2004 отмечается, что для обеспечения надежности ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива, существует необходимость разработки методов анализа процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива, сущности износов в элементах ТК и на основании выявленных причин — выработки технологических решений по их предотвращению на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.

Объект исследования — проточная часть радиально-осевой турбины с безлопаточным направляющим аппаратом современных турбокомпрессоров судовых дизелей.

Цель и задачи работы. Цель работы — анализ течения газа в радиаль-но-осевых турбинах с безлопаточным направляющим аппаратом (БНА) турбокомпрессоров судовых дизелей и процессов их износа на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— исследование химических, металлографических и механических свойств материалов ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК;

— постановка и проведение численного эксперимента по исследованию параметров течения рабочей среды с примесями твердых частиц, имеющих различные характеристики (упругость соударения со стенкой, размер, форма, начальная скорость, расположение на входе в ВУ), во входном устройстве с БНА и рабочем колесе РОС турбины;

— исследование влияния параметров абразивно (эрозионно)-опасных частиц на износ внутренней поверхности ВУ;

— разработка рекомендаций по снижению износа спиральной камеры ВУ.

Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе использованы экспериментально-теоретические методы исследования. Основные научные результаты получены с применением современных научно-исследовательских приборов и программных комплексов. Химический анализ образцов был выполнен спектральным методом по программе CHUGUN и ST в режиме РА по трем прожигам на каждом образце с определением среднего значения полученных данных. Исследование микроструктуры образцов было осуществлено на шлифах, травленных 4-х процентным раствором HN03 при 100-кратном и 500-кратном увеличении на микроскопе Carl Zeiss Vision. Твердость исследуемых образцов определялась по методу Бринелля с помощью прибора TLL 2 (ГОСТ 90 12 — 59). Для моделирования турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды использован численный метод конечных объемов (МКО). Геометрические модели построены с использованием программного пакета Solid Works. Расчетная сетка создана с помощью программного комплекса Gambit фирмы Fluent. Расчет течения выполнен автором с использованием специализированного программного комплекса вычислительной динамики жидкости и газа фирмы Fluent.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

— впервые проведен анализ процессов течения продуктов сгорания тяжелого топлива и износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;

— исследовано влияние параметров двухкомпонентной рабочей среды на протекание процесса износа элементов проточной части РОС турбин ТК.

Теоретическое значение результатов заключается в том, что предложен комплексный подход, позволяющий анализировать сложную структуру реального потока продуктов сгорания двигателя в проточной части РОС турбин ТК с учетом наличия твердых частиц, прогнозировать влияние этих частиц на износ элементов турбин ТК.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

— предложен эффективный теоретико-расчетный метод анализа течения газа и процессов износа входных устройств РОС турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелых сортах топлива;

— реализация этого метода анализа позволяет получить необходимую информацию о влиянии различных эксплуатационных факторов на характер движения двухкомпонентной среды и, как следствие, на процесс износа ВУ РОС турбин с БНА и рассмотреть возможные способы снижения этого износа;

— в результате численного эксперимента установлены особенности движения и параметры абразивноопасных потоков твердых частиц в спиральной камере ВУ;

— предложены способы снижения износа спиральной камеры ВУ;

— результаты выполненных исследований внедрены в департаменте технической эксплуатации флота ОАО «Новороссийское морское пароходство» (г.Новороссийск) и учебный процесс МГА им. адм. Ф. Ф. Ушакова (г.Новороссийск).

Достоверность научных результатов обеспечивается постановкой задачи, базирующейся на основных уравнениях динамики газа, применением современных программных комплексов расчета с использованием МКО и проверкой адекватности модели течения путем наблюдения за состоянием реальных элементов турбин ТК судовых дизелей, работающих на тяжелом топливе.

На защиту выносится:

— метод анализа процессов течения газа ВУ РОС турбин ТК судовых дизелей на основе расчета турбулентного течения двухкомпонентной рабочей среды;

— данные численного эксперимента по определению параметров частиц, участвующих в процессе интенсивного износа ВУ РОС турбин ТК;

— результаты численного моделирования процессов износа ВУ РОС турбин ТК.

Апробация и внедрение результатов исследования. Содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете и Морской государственной академии имени адмирала Ф. Ф. Ушакова (г. Новороссийск), на семинаре «Высокие технологии в вычислительной гидрогазодинамике. Программные комплексы Fluent и Concept NREC» (г. Санкт-Петербург, 13−14 марта 2006 г.). Основные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов на Международной научно-технической конференции «Надежность и ремонт машин» (г. Орел, 2005 г.) и научно-технических конференциях МГА им. адмирала Ф. Ф. Ушакова (2003 — 2005 гг.) и СПбГМТУ (2005 г.).

Публикации. Основная часть материала прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в следующих изданиях: Труды НГМА (2003 г.), журнал «Двигателестроение» (№ 3, 2005 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки (Спецвыпуск 2006 г.), Известия ВУЗов Северо-Кавказского региона, техн. науки, (Приложение к № 3, 2006 г.). Из них четыре статьи в ведущих рецензируемых журналах ВАК.

Результаты исследования используются в курсе лекций, читаемых для курсантов и слушателей курсов повышения квалификации МГА имени адмирала Ф. Ф. Ушакова.

Заключение

.

В результате выполнения диссертационной работы получены новые научные результаты, предложены рекомендации, позволяющие уже на стадии проектирования и изготовления турбокомпрессоров решить задачи, связанные с расчетом входных устройств радиально-осевых турбин с учетом эксплуатационных факторов (наличия твердых взвешенных частиц в продуктах сгорания тяжелых сортов топлива судовых дизелей). При решении этой научно-технической задачи получены следующие основные результаты и выводы:

1. Исследование химических, металлографических и механических свойств ВУ и направляющих аппаратов РОС турбин современных ТК показало, что:

— ВУ изготовлены из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графитапри этом у входного устройства ТК типа Ш1 металлическая матрица состоит из феррита, а у входного устройства ТК типа N11 — из феррита и 8% перлита, что, является нарушением требуемой структуры, которая должна состоять из перлитной металлической матрицы и включений шаровидного графита с твердостью не менее НВ — 230. .250;

— ВУ ТК фирмы АВВ типа Ю?. с БНА должно быть изготовлен из высокопрочного чугуна, имеющего структуру, состоящую из перлитной и сорбит-ной металлической матрицы и включений шаровидного графита, при этом наличие феррита не допускаетсяв этом случае твердость ВУ должна находиться в пределах НВ — 230. .270;

— сопловый аппарат турбины ТК типа N11, изготовленный из стали аустенитного класса марки 25Х15Н26М5Г2 с твердостью НВ менее 100 не соответствует условиям эксплуатациидля условий работы данного соплового аппарата необходимо применение более умеренно легированной жаростойкой стали типа сильхрома марки 40Х9С2, которая обладает достаточной жаростойкостью и при этом довольно хорошей износостойкостью;

2. Расчетный анализ движения частиц во входном устройстве необходимо выполнять с использованием модели турбулентного течения вязкого газа, так как на перенос частиц определенного диапазона размеров могут оказывать существенное влияние перетекания в трехмерном пограничном слое на стенках спиральной камеры.

3. В износе внутренней поверхности ВУ участвуют главным образом твердые частицы со следующими параметрами: с размерами 0,05 мм и болеес коэффициентом формы 0,6 — 0,7- при нормальной и тангенциальной степени упругости удара, лежащей в диапазоне 0,8 — 0,9.

4. Параметры движения абразивно (эрозионно) опасных частиц в зоне износа (вблизи «языка» входного устройства) слабо зависят от величины начальной скорости и места расположения выпуска частиц во входном сечении ВУ.

5. Твердые частицы с размерами более 0,05 мм могут накапливаться в спиральной камере, совершая в процессе движения более одного оборота вокруг оси вращения турбины. При этом их скорость приближается к максимальной скорости потока газа во входном патрубке. Однако основная часть твердых частиц не совершает более двух оборотов.

6. Твердые частицы с размерами 0,05 — 0,5 мм имеют значительную величину тангенциальной составляющей импульса при соударении с внутренней поверхностью ВУ в зоне износа. При этом абразивный износ играет существенную роль в процессе разрушения.

7. Улавливание частиц в спиральной камере ВУ неэффективно из-за конструктивных трудностей размещения улавливающего устройства в зоне наибольшей концентрации частиц (зоне языка). В других местах ВУ частицы значительно рассеяны в пространстве, и эффективно улавливать их невозможно.

8. Выполненная приближенная оценка параметров влияющих, на разрушение поверхности стенки ВУ из-за взаимодействия с твердыми частицами показала, что скорость разрушения (износа) ВУ РОС ТК типа RR-181 (ABB) составляет примерно 34 мм за 3800 час эксплуатации двигателя. Полученный результат расчета удовлетворительно согласуется с наблюдаемой в процессе эксплуатации картиной износа ВУ ТК RR-181 (ABB), RH 143/163 (фирма Mitsubishi).