Методологические основы совершенствования систем воздухоснабжения транспортных двигателей

Успешное решение проблемы создания новых перспективных образцов транспортных машин в значительной степени определяется наличием мощных высокооборотных дизелей с высокими удельными показателями, отвечающих жестким габаритно-массовым ограничениям. При разработке этих двигателей, помимо достижения заданного уровня агрегатной мощности, должны быть обеспечены такие важные для транспортной силовой установки параметры, как рабочий диапазон частот вращения коленчатого вала, коэффициент приспособляемости и приемистость двигателя, определяющие динамические качества транспортной машины.

Выполнение этих противоречивых требований связано с необходимостью проведения широкого комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по выбору и доводке параметров рабочего процесса как собственно двигателя, так и его составных частей, в том числе системы воздухоснабжения. Качество процессов в системах воздухоснабжения турбопоршневых двигателей оказывает существенное влияние на показатели их работы, определяя такие важнейшие характеристики как экономичность, надежность, диапазон изменения эксплуатационных режимов, динамические показатели. Это влияние определяется не только качеством процессов в составных частях, образующих систему воздухоснабжения, но и качеством взаимного согласования этих составных частей.

Особенно сильно сказывается степень совершенства отдельных элементов рассматриваемых систем на параметрах работы двигателя в целом в случае высокого его форсирования по среднему эффективному давлению за счет газотурбинного наддува. В этих условиях работа сжатия воздуха в компрессоре и располагаемая работа газа перед турбиной агрегата наддува имеют один порядок с работой, совершаемой цилиндрами двигателя, что определяет повышенные требования к степени совершенства процессов в турбине и компрессоре. При этом важно отметить, что повышение уровня форсирования дизеля связано с необходимостью решения задач не только аэродинамического совершенствования лопаточных аппаратов агрегатов наддува, но и обеспечения их вибронадежности при возросших значениях возмущающих воздействий со стороны газового потока.

Для успешного решения проблемы рациональной организации систем воздухоснабжения двигателей транспортных машин необходимо ответить на ряд вопросов, определяющих технические характеристики двигателя в целом. К. ним относятся:

— выбор принципиальной схемы системы воздухоснабжения и конструктивных форм и геометрических характеристик газовоздушных каналов и коллекторов систем впуска и выпуска,.

— выбор параметров работы турбины и компрессора, обеспечивающий удовлетворительные характеристики систем наддува не только на режиме номинальной мощности, но и в широком диапазоне изменения нагрузок и частот вращения вала двигателя,.

— выбор характеристик механизма газораспределения, во многом определяющий эффективность использования теплоты, подведенной к рабочему телу в цилиндре и качество процессов очистки и наполнения цилиндров свежим зарядом,.

— целесообразность использования нетрадиционных схемных решений при проектировании систем воздухоснабжения для улучшения динамических характеристик турбопоршневых двигателей.

При ответе на эти вопросы применительно к двигателям транспортных машин далеко не всегда может быть использован опыт, накопленный при создании двигателей общего назначения. В частности, выбор схемы системы наддува определяется в этом случае не только и не столько энергетическими характеристиками системы, сколько возможностью обеспечения удовлетворительного качества очистки рабочих цилиндров и наполнения их свежим зарядом. При этом ограничивающими факторами будут принятые при проектировании моторно-трансмиссионного отделения (МТО) транспортной машины система воздухоочистки и принципиальная схема системы охлажденияпоследние, в свою очередь, выбираются с учетом габаритно-массовых и компоновочных ограничений, а также необходимости выполнения ряда специальных требований. Аналогичные проблемы, связанные с особенностями работы турбопоршне-вого двигателя в составе МТО транспортной машины, возникают при выборе геометрических характеристик газовоздушных коллекторов, согласовании характеристик агрегатов наддува с расходными характеристиками поршневой части двигателя, определяющим режим работы системы промежуточного охлаждения наддувочного воздуха и т. п.

Выбор параметров системы промежуточного охлаждения наддувочного воздуха, безусловно оправданного с определенного уровня давления наддува, не является сложной проблемой в двигателях общего назначения, но требует специального обоснования для транспортных моторных установок. В этом случае следует учитывать не только уровень форсирования двигателя, но и принятую схему системы охлаждения, и габариты, определенные в МТО для теплообменников этой системы. Кроме того, необходимо иметь в виду неизбежное снижение эффективности воздухоохладителей в условиях их компоновки на двигателе с жесткими габаритно-массовыми ограничениями.

Принятие конкретных решений по тому или иному кругу вопросов затрудняется противоречивым характером влияния схемных и конструктивных особенностей на составляющие рабочего процесса турбопоршневого двигателя и характеристики силовой установки транспортной машины в целом.

Обоснованные выводы о целесообразности тех или иных схемных и конструктивных решений при проектировании системы возду-хоснабжения могут быть сделаны лишь при наличии достоверной информации о влиянии принятого варианта на характеристики двигателя в целом и, в частности, на изменение параметров рабочего тела и характер газодинамических процессов, протекающих в составных частях систем. Традиционно эта информация получается в результате проведения широких экспериментов на физических моделях и натурных образцах, что неизбежно связано со значительными затратами времени и материальных ресурсов.

Проектирование систем воздухоснабжения транспортных двигателей связано с необходимостью решения ряда проблем, обусловленных как спецификой режимов их работы, так и существующими габаритно-массовыми ограничениями для двигателя и для МТО в целом и известными условиями работы агрегатов наддува в составе транспортных моторных установок. Это особенно сильно сказывается на технических и эксплуатационных характеристиках двигателей с высоким уровнем форсирования по среднему эффективному давлению.

Стремление повысить удельную мощность транспортных двигателей до 1100.1200 квт/м3 определяет жесткие габаритные ограничения для двигателя, в том числе и на составные части системы воздухоснабжения. Это приводит к тому, что объемы коллекторов впускных и выпускных систем становятся соизмеримы с рабочим объемом цилиндра. Последнее обусловливает значительные амплитуды пульсации давления в коллекторах, это не позволяет получать рациональные фазы газораспределения по средним значениям параметров рабочего тела в смежных с рабочими цилиндрами объемах, а также отрицательно сказывается на качестве процессов в агрегатах наддува. Кроме того, высокие абсолютные скорости потоков в коллекторах и каналах и существенное взаимное влияние местных сопротивлений определяют повышенный уровень потерь кинетической энергии потоков, что приводит к снижению располагаемой работы газа перед турбиной турбокомпрессора, давления наддува и ухудшает качество процессов газообмена в рабочих цилиндрах.

Использование двигателей в составе моторно-трансмиссион-ных установок транспортных машин определяет ряд специфических условий их работы, которые существенно отличаются от таковых для аналогичных установок автомобильного и внедорожного транспорта, тем более от условий работы в стационарных, судовых или тепловозных силовых установках.

Ограниченные габариты, отводимые для системы воздухоо-чистки, а также высокая удельная мощность определяют повышенный уровень сопротивлений на входе в компрессор агрегата наддува. Кроме того, практически невозможно в условиях МТО транспортной машины обеспечить равномерное поле скоростей воздушного потока на входе в рабочее колесо компрессора.

Значительно отличаются от обычных и условия на выходе из турбины турбокомпрессора. Высокие до 200 м/с и более значения абсолютных скоростей за рабочим колесом турбины определяют, даже при использовании вентиляторной системы охлаждения высокий уровень противодавлений за турбиной. Этот уровень еще в большей степени повышается в случае применения эжекторов в системе охлаждения. Рост противодавления за турбиной приводит, при прочих равных условиях, к уменьшению степени расширения газа в турбине.

Кроме того, может не выполняться равенство расходов рабочего тела через компрессор и турбину при отборе части воздуха после компрессора для обеспечения работы системы пылеудаления.

Таким образом, требуемое соотношение между давлением наддува и давлением в выпускном коллекторе, при котором еще обеспечивается продувка рабочих цилиндров с принятой схемой возду-хоснабжения, достигается в транспортных моторных установках при повышенных против соответствующих обычным условиям степенях повышения давления воздуха в компрессоре и пониженных степенях расширения газа в турбине турбокомпрессора. Естественные ограничения, накладываемые на температуру выпускных газов, определяют требования к уровню общего к.п.д. турбокомпрессора.

Одним из важных требований, предъявляемых к транспортным двигателям, является обеспечение заданного уровня параметров, характеризующих динамические свойства двигателя. К ним, в первую очередь, относятся коэффициент приспособляемости и коэффициент рабочих частот вращения вала двигателя. В настоящее время эти параметры составляют 1,15. 1,20 (до 1,30 у лучших образцов) и 1,54. .1,65 соответственновместе с тем, у перспективных двигателей эти параметры должны иметь значения 1, 35. 1,40 и 1,8. 2, 0. Достижение таких уровней коэффициентов приспособляемости и рабочих частот вращения вала достаточно непросто для двигателей с умеренным форсированием и представляет сложную проблему при высоком форсировании двигателя по наддуву. При этом основной задачей является необходимость обеспечения требуемых цикловых подач воздуха в заданном диапазоне частот вращения вала двигателя.

Для успешного решения этой задачи важное значение имеет принципиальный подход к согласованию характеристик поршневого двигателя и составных частей системы наддува.

С одной стороны, согласование характеристик, выполненное таким образом, чтобы максимальный к. п.д. компрессора достигался на номинальном режиме, обеспечивает лучшую экономичность двигателя на этом режиме, а также благоприятно сказывается на условиях работы турбокомпрессора. Кроме того, при таком согласовании количество теплоты, отданное холодному теплоносителю в воздухоохладителе, имеет умеренные значения. С другой стороны, при работе высокофорсированного двигателя по скоростной характеристике достаточно быстро наступает рассогласование пропускной способности турбины и расходов газа на данном режиме. Это.

— у приводит к уменьшению цикловой подачи воздуха в цилиндры и соответствующему изменению всех характеристик рабочего процесса. В результате рабочий диапазон частот вращения вала сужается, а коэффициент приспособляемости падает. Это значительно ухудшает динамические характеристики транспортной машины в целом.

Регулированием лопаточных аппаратов турбины и компрессора можно корректировать вид скоростной характеристики двигателя /7,88/, однако при этом усложняется конструкция агрегатов наддува и, как следствие, снижаются надежность работы турбокомпрессора.

При другом подходе к согласованию характеристик, когда максимальный к.п.д. компрессора достигается на режиме максимального крутящего момента, может быть получена вполне удовлетворительная зависимость крутящего момента от скорости вращения вала двигателя и обеспечены традиционные значения коэффициентов приспособляемости и рабочих частот вращения /6,31/. Однако в этом случае при высоком наддуве существенно ухудшаются показатели работы двигателя на режиме номинальной мощности. Несмотря на то, что соответствующими изменениями в лопаточном аппарате турбины можно добиться цикловых подач воздуха, требуемых для удовлетворительного протекания рабочего процесса в цилиндрах двигателя, в целом по двигателю экономичность на режиме падает. Это объясняется пониженными значениями к.п.д. компрессора и, как следствие, ростом отрицательной работы насосных ходов, а также ухудшением качества очистки цилиндров от остаточных газов. Одновременно возрастает теплоотвод в систему охлаждения от охладителя наддувочного воздуха. Причем при высоких уровнях форсирования это увеличение может достигать 20.30%. Последнее играет отрицательную роль при проектировании МТО транспортных машин.

Решением проблемы улучшения динамических характеристик высокофорсированных ТПД может быть использование дополнительной камеры сгорания, устанавливаемой в системе воздухоснабже-ния /49, 64, 117, 129/. В принципе такое решение позволяет целенаправленно изменять располагаемый теплоперепад перед турбиной турбокомпрессора и обеспечивать требуемое давление воздуха на любом скоростном режиме, однако однозначного ответа на вопрос об эффективности такого подхода нет. Поэтому представляется целесообразным получить качественные и количественные оценки эффективности применения дополнительной камеры сгорания для увеличения коэффициента приспособляемости и расширения диапазона рабочих частот вращения вала двигателя.

При разработке систем воздухоснабжения высокофорсированного ТПД для транспортных машин наряду с перечисленными необходимо решать ряд задач, связанных с выбором фаз газораспределения и совершенствованием геометрических форм и соотношений воздушных и газовых каналов в крышках рабочих цилиндров.

Определение рациональных значений фаз газораспределения у двигателей, предназначенных к использованию в составе МТО транспортных машин, должно проводиться с учетом особенностей их конструкций и условий работы, а именно, ограниченных габаритов, отведенных для систем впуска и выпуска, повышенных сопротивлений на впуске и противодавлений на выпуске и характера изменения давлений во впускном и выпускном коллекторах в зависимости от угла поворота вала двигателя при его работе по той или иной характеристике.

Малые объемы впускных систем, сопоставимые с рабочим объемом одного цилиндра, определяют существенные колебания давления воздуха в коллекторах, а также высокие переменные скорости потоков. Эти обстоятельства, а также аналогичные явления в выпускной системе не позволяют проводить выбор фаз газораспределения по средним параметрам рабочего тела в системах впуска и выпуска. При изменении режима работы двигателя характер пульсаций на входе в цилиндры и за цилиндрами меняется, причем изменение относительных значений амплитуд колебаний зависит не только от того, как согласованы характеристики двигателя, турбины и компрессора на номинальном режиме, но и от абсолютной величины сопротивления, создаваемого воздухоочистителем и противодавления выпуску на этом режиме.

Следует отметить, что при снижении частоты вращения вала двигателя во всяком случае не менее чем пропорционально уменьшается массовый расход воздуха через воздухоочиститель. Это приводит к уменьшению разрежения на входе в компрессор, а, следовательно, к относительно меньшему падению давления за компрессором при той же степени повышения давления в ступени, что и в случае двигателя общего назначения.

Все это определяет свои значения фаз газораспределения, обеспечивающие наилучшее наполнение рабочего цилиндра свежим зарядом на данном скоростном режиме и при данной нагрузке. Вместе с тем, такой подход к выбору фаз газораспределения, при котором их значение определяется только по качеству процессов очистки и наполнения цилиндров, можно признать вполне оправданным только для двигателей без наддува или с мальм давлением наддува.

При проектировании систем воздухоснабжения высокофорсированных транспортных двигателей со специфическими условиями на входе в компрессор и на выходе из турбины и особыми требованиями, предъявляемыми к изменению параметров двигателя по скоростной характеристике, на выбор фаз газораспределения влияет не только требуемое качество процессов газообмена, но и характер изменения параметров рабочего тела во впускном и выпускном коллекторах, а также особенности работы компрессора и турбины в широком диапазоне изменения эксплуатационных режимов.

Наряду с рассмотренными факторами, связанными, в основном, с агрегатами и системами, навешенными на двигатель, на совершенство систем воздухоснабжения влияют и конструктивные решения, относящиеся к собственно двигателю, а именно конфигурация и геометрические соотношения впускных и выпускных каналов в головках блоков цилиндров /18, 22, 36,120/.

Потери кинетической энергии в этих каналах и характеристики потоков, определяемые их конструкцией, в значительной степени влияют не только на качество очистки, но и на развитие процессов в смежных с рабочими цилиндрами системах, которые, в свою очередь, оказывают обратное влияние на обстановку в газовоздушных каналах. В частности, от изменения параметров газа и скоростей потоков по времени и координатам выпускного коллектора, в том числе и в присоединительных патрубках, зависят характеристики течения в выпускном канале, а взаимодействие процессов в этих элементах выпускной системы определяет общий уровень потерь кинетической энергии и, соответственно, располагаемый теплоперепад на входе в сопловой аппарат турбины турбокомпрессора.

Обычно конфигурацию и геометрические характеристики газовоздушных каналов в крышках цилиндров определяют по результатам экспериментальных исследований стационарных потоков в рассматриваемых каналах на физических моделях и натурных образцахцелью исследований является снижение аэродинамических сопротивлений этих элементов. Следует отметить, что получаемые результаты имеют сравнительный, оценочный характер, т.к., как правило, не учитывается влияние нестационарности потока не только на формирование потерь, но и на изменение расходных характеристик каналов. На различных этапах процесса газообмена расход газа в нестационарном потоке может быть на 30.40% превысить таковой, полученный для стационарного течения /36/.

Вообще характер течения газа во впускных и выпускных каналах изменяется по мере развития процесса газообмена и на различных его этапах может быть как практически безотрывным, так и определяться обширными рециркуляционными зонами, вызванными неравномерным распределением параметров по объему канала и инерционным срывом потока. Размеры срывных зон и интенсивность рециркуляционных течений изменяется с изменением положения клапана, при этом течение в целом может быть диффузорным или конфузорным при наличии местных диффузорностей. Местные положительные градиенты давления определяют возможность возникновения срыва пограничного слоя с поверхности канала и связанные с этим потери кинетической энергии потока. На уровень этих потерь влияет общая диффузорность канала, степень неравномерности распределения параметров потока на входе в канал, режим течения и некоторые другие факторы. Упомянутые выше конструктивные особенности впускных и выпускных систем двигателей транспортных машин существенно усложняют задачу рационального, с газодинамической точки зрения, проектирования газовоздушных каналов этих двигателей. Обычно конфигурацию каналов выбирают с учетом опыта доводки аналогичных конструкций, а также по результатам стационарных продувок модельных образцов.

Как правило, ответы на перечисленные выше вопросы формулируются с использованием апробированных показателей, характеризующих ту или иную сторону работы системы воздухоснабжения. В частности, для оценки качества процессов очистки-наполнения используется степень наполнения цилиндра свежим зарядом и содержание в нем остаточных газов /85/, газодинамическое качество выпускных коллекторов обычно определяется по потерям кинетической энергии на участке «цилиндр-турбина» /35,56/, уровень совершенства впускной системы — по равномерности распределения расхода воздуха по цилиндрам и по наполнению цилиндров, качество согласования характеристик турбины, компрессора и двигателя по взаимному расположению этих характеристик и по к. п.д. турбины и компрессора на расчетном режиме /31,83,111/.

Использование этих показателей в качестве критериев совершенства составных частей системы воздухоснабжения безусловно оправдано, однако такой подход к оценке уровня исследуемой или вновь создаваемой системы следует признать недостаточным, т.к. он не характеризует влияние рассматриваемых конструктивных изменений на работу двигателя в целом. Например, хорошее качество процессов газообмена совсем не гарантирует низкий уровень отрицательной работы насосных ходовстремление в максимальной степени сохранить на участке «цилиндр-турбина» кинетическую энергию газов, покидающих цилиндры, как правило, приводит к заметному снижению к. п.д. турбиныоптимальное, с точки зрения минимизации работы сжатия, распределение теплопере-падов по ступеням сжатия на номинальном режиме, приводит к существенному ухудшению показателей двигателя с двухступенчатым наддувом на частичных нагрузках /50/.

Выполненный анализ показывает, что качество работы систем воздухоснабжения зависит от ряда конструктивных, регулировочных и эксплуатационных факторов, влияние которых на характеристики ТПД в составе моторно-трансмиссионного отделения транспортной машины в различных условиях может быть неоднозначным. Это затрудняет поиск рациональных схемных и конструктивных решений при проектировании рассматриваемых систем.

Выбор тех или иных схемных или конструктивных решений с использованием критериев, определяющих качество отдельных элементов системы воздухоснабжения, в общем, не является оптимальным, т.к. такой выбор учитывает влияние данного решения только на одну характеристику процесса: располагаемую энергию выпускных газов, коэффициенты наполнения и продувки, работу насосных ходов, к.п.д. турбины или компрессора и т. д. Это не позволяет оценить влияние принимаемых решений на работу двигателя в целом.

Более естественным представляется при оценке целесообразности выбора принципиальной схемы или конструкции конкретного узла системы воздухоснабжения использовать интегральные характеристики — эффективный к.п.д. или удельный расход топлива, удельную мощность (среднее эффективное давление), при обеспечении допустимого уровня напряженно-деформированного и температурного состояния деталей ЦПГ рассматриваемого двигателя. Последнее выходит за рамки настоящей работы, которая посвящена разработке методов численного исследования, расчетно-экспери-ментальному исследованию процессов в составных частях системы воздухоснабжения и исследованию работы двигателя в целом с целью улучшения габаритно-массовых, экономических и эксплуатационных характеристик двигателей транспортных машин.

Очевидно, что получение интегральных характеристик экспериментальным путем определяет необходимость проведения испытаний натурного образца опытного двигателя. Это сильно ограничивает возможность чисто экспериментального подхода к оптимизации и согласованию составных частей системы воздухоснабжения. Кроме того, несмотря на то, что экспериментальные методы определения характеристик рабочего тела в различных элементах системы воздухоснабжения в принципе позволяют получать наиболее достоверную информацию об особенностях процессов в этих элементах, практическая реализация этого положения в ряде случаев существенно затруднена. Это объясняется не только высокой стоимостью и длительными сроками изготовления опытных образцов, но и значительными трудностями в обеспечении требуемой точности измерений таких параметров нестационарных потоков, как мгновенные локальные давления, температуры и скорости /13/.

Повышение эффективности и сокращение сроков проведения проектно-конструкторских и доводочных работ по созданию систем воздухоснабжения для перспективных турбопоршневых двигателей может быть достигнуто за счет использования комплексных методов расчета процессов в составных частях двигателей, базирующихся на математических моделях, корректно описывающих основные особенности этих процессов.

В связи с изложенным большое значение приобретает разработка методов численного исследования с использованием апробированных моделей как рабочего цикла двигателя с газотурбинным наддувом, так и процессов в составных частях системы воздухоснабжения этих двигателей. Этому направлению исследований в двигателях внутреннего сгорания посвящены работы многочисленных авторов как у нас в стране, так и за рубежом /33, 53, 67, 68, 78, 111, 118, 121, 123/.

Моделирование замкнутого рабочего цикла двигателя с газотурбинным наддувом обычно выполняется с использованием принципа изотропности рабочего тела в рабочих цилиндрах двигателя и составных частях системы и в предположении квазистационарного характера течения через открытые границы, соответствующими уравнениями связи и описанием характеристик турбины и компрессора с той или иной степенью точности /28, 42, 46, 102/.

Расчет процессов в цилиндрах двигателя, как правило, основывается на предположении равенства параметров в данный момент времени по расчетной области. Параметры газа определяются с использованием уравнений объемного или массового баланса, условия на границах составляются, исходя из допущений о квазистационарном характере течения газа через граничные сечения. Реальный процесс сгорания в существующих моделях описывается какой-либо из известных эмпирических зависимостей. Теплообмен рабочего тела с поверхностями, образующими рабочий объем, оценивается по эмпирическим соотношениям для коэффициентов теплоотдачи в цилиндре. В целом такой подход представляется достаточно обоснованным, за исключением известного несоответствия предполагаемого квазистационарным характера течения газа через органы газораспределения действительному нестационарному, особенно в начале и конце процессов выпуска и наполнения /10, 33, 52, 65/.

Эксперименты, да и весь опыт создания и доводки новых конструкций двигателей показывает, что пренебрегать инерцией газового потока при разработке систем воздухоснабжения нельзя /30, 34, 44, 46, 47, 98/. Например, даже при значительном положительном градиенте давлений во впускном канале в конце процесса впуска наблюдается устойчивое движение свежего заряда в цилиндр двигателя. При расчете потоков массы через границы расчетных областей (клапанный механизм, лопаточный аппарат турбины) используют результаты продувок органов газораспределения на статических установках или испытаний турбин турбокомпрессоров. Такой подход в принципе оправдан, т.к. получение надежных результатов при продувках исследуемых элементов нестационарным потоком газа и при переменных во времени положениях клапана достаточно проблематично. Тем не менее, следует иметь в виду, что в процессе газообмена пропускная способность клапанного механизма в различные моменты может отличаться от таковой, полученной на статической модели.

В целом, как показывают многочисленные эксперименты, рассмотренный принципиальный подход к расчету рабочего цикла в цилиндре двигателя дает вполне удовлетворительные результаты. Используемые методики различаются, в основном, видом зависимостей, применяемых для оценки теплообмена в цилиндре и принятым описанием характеристик тепловыделения. Следует отметить, что в ряде методик при составлении расчетных соотношений принимается неизменность газовой постоянной R, т. е. состава рабочего тела в цилиндре, в течение цикла.

При расчете процессов в смежных с цилиндром системах чаще всего используется тот же принцип изотропности рабочего тела, что и при численном анализе процесса в цилиндре, но с незначительными упрощениями. При этом возникает ряд вопросов, на которые различные исследователи отвечают по разному.

Во-первых, это описание характеристик турбины. Их необходимо знать не только для расчета замкнутого цикла, но также и для расчета процесса газообмена без замыкания модели. Т.к. при проведении расчетов, связанных с исследованием и доводкой системы воздухоснабжения, характеристики агрегатов наддува обычно бывают уже известны, то многие авторы используют ту или иную их аппроксимацию /31, 93, 108/. Привлечение экспериментальных материалов, безусловно, повышает достоверность результатов расчета на том режиме, для которого эти материалы получены, однако возможность их распространения на другие условия работы требует специального обоснования. Например, зависимость пропускной способности турбины jtifт от коэффициента напора или характеристического числа и/Со, как правило, приводится для какой-то одной скорости вращения ротора, вместе с тем, последний параметр существенно сказывается на величине p.fT. При моделировании замкнутого цикла, кроме пропускной способности турбины, в расчетах используется к.п.д. турбины. Многие исследователи предлагают представление к.п.д. турбины как квадратичной параболы от числа (и/Со) или аналога этого характеристического соотношения /46/, при этом также не учитывается не только существенная условность такого представления, но и влияние частоты вращения ротора на внутренний и механический к.п.д. турбины.

Во-вторых, это определение параметров работы компрессора. В большинстве случаев, как и для турбины, используют аппроксимацию многопараметровой характеристики компрессора. Такой подход дает хорошие результаты, если рабочая точка компрессора не выходит за пределы области, данной в описании. В противном случае вынужденная экстраполяция обусловливает значительное расхождение расчетных и экспериментальных данных. Это определяет интерес к такому представлению характеристик, которое бы в принципе основывалось на физически обоснованных описаниях процессов в лопаточном аппарате компрессора.

При моделировании рабочего цикла дизеля с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха привлекаются характеристики воздухоохладителей, записанные в том или ином виде. Принимаемые обычно допущения о слабой зависимости к.п.д. охладителя от режима его работы и квадратичном характере изменения его сопротивления со стороны охлаждаемого воздуха от объемного расхода дают вполне удовлетворительные результатыони могут быть использованы при составлении модели замкнутого цикла.

Рассмотренные подходы к описанию основных процессов в составных частях комбинированных турбопоршневых двигателей делают возможным построение тех или иных моделей замкнутого рабочего цикла, позволяющих получать ответы на принципиальные вопросы выбора схемных и конструктивных решений при создании двигателей новых конструкций. Вопросы точности полученных результатов должны при этом рассматриваться отдельно в каждом конкретном случае с учетом сделанных при составлении модели схематизации и допущений.

Недостатки, органически присущие расчетным методикам, построенным на принципе изотропности рабочего тела, исключают возможность оценки распределения параметров, а также учета инерционных явлений в системах впуска и выпуска и их влияние на качество внутрицилиндровых процессов. Это определяет необходимость разработки расчетных методик, основанных на методах численного решения уравнений нестационарной газовой динамики.

Вообще, процессы в составных частях систем воздухоснабже-ния, в том числе и в элементах впускных и выпускных систем, имеют пространственный нестационарный характер, сопровождаются теплообменом и диссипацией энергии. В значительной степени это проявляется в многооборотных двигателях транспортного типа. Сложная конфигурация элементов систем, определяемая также и существующими габаритными ограничениями, приводит к тому, что не представляется возможным говорить о сколько-нибудь упорядоченном течении на этих участках.

Наличие резких поворотов и близкорасположенных местных сопротивлений приводит к инерционным срывам потока и образованию областей с развитыми рециркуляционными течениями. Течения на участках с местной диффузорностью и с положительными градиентами давления сопровождаются формированием мощного пристеночного пограничного слоя с последующим его отрывом /107, ИЗ/. Это, в свою очередь, определяет неравномерное распределение параметров потока по сечениям и длине коллекторов, патрубков и каналов.

Налагающаяся на эти процессы нестационарность, вызываемая периодическим отбором и поступлением масс газа в рассматриваемые объемы, еще более усложняет характер течения. В непосредственной близости от выпускных клапанов форсированных двигателей в принципе могут локализоваться зоны сверхзвукового течения.

Столь сложная структура нестационарных газовых потоков в системах воздухоснабжения форсированных двигателей наиболее полно может быть описана известными соотношениями с использованием уравнений Навье-Стокса для нестационарного течения вязкого сжимаемого газа /80/, хотя и в этом случае не до конца ясны подходы к описанию и анализу, особенностей течения газа на границах рассматриваемых областей. Отыскание общего решения этой системы при произвольных граничных условиях в настоящее время проблематично, а использование для анализа численных методов ее решения сопровождается такими затратами машинного времени, что сегодня не приходится говорить о разработке на этой базе методик, пригодных для реализации в инженерной практике при проектировании систем воздухоснабжения.

Стремление предоставить в распоряжение конструктора рабочую методику, позволяющую выполнять вариантные расчеты систем с целью выбора рационального решения приводит к необходимости той или иной степени схематизации реальных процессов /90/.

Объем вычислений зависит, в первую очередь, от размерности решаемой задачи. Для многих конструкций форсированных транспортных двигателей характерны достаточно большие отношения длин 1 и диаметров трубопроводов с1к систем наддувакак правило 1/йк > 10. Это позволяет говорить о возможности использования одномерных моделей при описании движения газов в таких коллекторах, когда неравномерность распределения параметров потока по поперечному сечению не оказывает сколько-нибудь заметного воздействия на изменение характеристик течения по длине трубопровода.

Вместе с тем, расстояния между разветвлениями коллекторов, как правило, не превышают 3.5 диаметров трубопроводов. Поэтому допущение об одномерности потока на этих участках имеет условный характер из-за неизбежного взаимного влияния местных сопротивлений при столь близком их расположении.

Одномерные представления вполне справедливы только для прямолинейных участков трубопроводов и только в том случае, когда по условиям конкретной задачи можно пренебречь неравномерным распределением параметров по поперечному сечению расчетного участка.

Для исследований таких важных элементов систем наддува, как впускные и выпускные каналы в крышках цилиндров, местные сопротивления типа поворот или разветвление, сложные впускные системы в виде преобразователей импульсов, возможности применения одномерных представлений ограничены предварительными оценками достаточно умеренной точности.

Более достоверная информация об особенностях течения в указанных областях может быть получена при использовании двумерных моделей течения. Правомочность применения двумерного приближения для численного исследования течения в каналах крышек цилиндров определяется оценками распределения скорости потока в меридиональной плоскости канала и в плоскости, перпендикулярной оси канала.

Оценки, полученные при обработке опубликованных в литературе /44, 45, 47/ экспериментальных данных с помощью коэффициентов количества движения Мк = 1/Гк /у2йГ, где Рк — площадь сечения канала, v = у/уср — относительная скорость, показали, что коэффициент Мк в меридиональной плоскости в 1,5.2 раза превышает таковой в перпендикулярной плоскости, т. е. основная перестройка полей скоростей потока происходит в меридиональной плоскости канала.

Таким образом, в зависимости от характера решаемой задачи и с учетом возможностей вычислительной техники можно говорить о представлении процессов в составных частях систем воздухоснабжения как одномерного или двумерного нестационарного течения сжимаемого газа.

Следует отметить, что применяемые в настоящее время методы исследования процессов в составных частях систем воздухоснабжения оценивают эффективность предлагаемых мероприятий по улучшению качества этих процессов, как правило, по изменению параметров, характеризующих конкретные процессы, или по изменению эффективных показателей двигателя на номинальном режиме /53, 54, 58, 74, 75, 116/.

В связи с этим является актуальной разработка на базе физически обоснованных математических моделей, адекватно описывающих процессы в составных частях турбопоршневых двигателей, комплекса расчетных методов, позволяющих на стадии проектирования и доводки новых образцов высокофорсированных двигателей для транспортных машин делать обоснованные заключения о степени совершенства систем воздухоснабжения и о влиянии конструктивных, режимных и эксплуатационных факторов на эффективные показатели этих двигателей в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов, апробация этих методов и их экспериментальная проверка.

На основании изложенного формулируется цель работы: разработка методологических основ совершенствования систем воздухоснабжения транспортных дизелей с газотурбинным наддувом и их применение к решению задач улучшения параметров и характеристик существующих двигателей, а также к разработке принципиально новых схем и конструкций с заданными техническими характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— Разработать методику расчета параметров турбопоршневого двигателя с различными схемами систем воздухоснабжения на эксплуатационных режимах с учетом газодинамических процессов в коллекторах и каналах систем впуска и выпуска, включая методику расчета характеристик агрегатов наддува с использованием результатов экспериментальных исследований ступеней и с учетом их геометрических параметров.

— Разработать методику расчета характеристик процессов во впускных и выпускных каналах крышек цилиндров и коллекторах на базе моделей нестационарного течения сжимаемого газаразработать методику оценки влияния геометрии газовоздушных каналов на характеристики газовых потоков.

— Создать макетный образец высокофорсированного турбопоршневого транспортного дизеля на базе серийно выпускаемого отечественного двигателя с ограничением максимальных газовых нагрузок на узлы и детали кривошипно-шатунного механизма, используя разработанные расчетные методы для оптимизации его параметров и конструкции.

— Выполнить комплексное экспериментальное исследование работы макетного образца дизеля на различных режимах с целью оценки целесообразности использования дополнительной камеры сгорания в системе воздухоснабжения для улучшения динамических характеристик транспортного двигателя, а также для апробации результатов расчетных исследований.

— Разработать рекомендации по проектированию систем воздухоснабжения высокофорсированных дизелей, преимущественно для установки в составе МТО транспортной машины.

Выводы по главе.

Разработанная методика расчета режимов совместной работы составных частей комбинированного турбопоршневого двигателя может быть использована в процессе определения его основных параметров на стадии составления технического задания с учетом условий его работы в предполагаемой установке конечного назначения. Выполненный с использованием разработанных методик макетный образец комбинированного двигателя с дополнительной камерой сгорания на базе дизеля 6 ЧН 15/16 форсирован по среднему эффективному давлению до уровня ре = 1,9 МПа при сохранении максимального давления сгорания в пределах рк = 10,0.10,5 МПа. Ограничение р2 достигнуто за счет снижения степени сжатия до? = 9.

Установка дополнительной камеры сгорания в систему возду-хоснабжения позволила получить у экспериментального двигателя коэффициент частот вращения вала кп = 3,3, а коэффициент момента км = 1,36. При этом значительно повышается способность двигателя к приему нагрузкивремя выхода турбокомпрессора на установившийся режим работы при набросе нагрузки в 3,0.3,5 раза меньше, чем при не работающей камере.

Расчетное исследование показало возможность создания на базе двигателя 6 ЧН 15/16 первичного привода силовой установки для транспортной машины мощностью ^ = 736 квт при п = 2000 об/мин и среднем эффективном давлении ре =2,6 МПа. При этом давление наддува составляет рк = 0,62. МПа, а максимальные давления цикла не превышают р2 = 14, 0. 15,0 МПа, что обеспечивается снижением степени сжатия в цилиндре до е = 8.

Наличие байпасного трубопровода в системе воздухоснабже-ния позволяет исключить работу компрессора в режиме помпажа при любых нагрузках и скоростях вращения вала двигателя. Обеспечивается возможность работы компрессора в зоне оптимальных к.п.д. в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя.

Заключение

и общие выводы.

Основным научным выводом, полученным на основании многолетних теоретических, расчетных и экспериментальных исследований является целесообразность и эффективность реализации комплексного подхода к проектированию и совершенствованию систем воздухоснабжения на базе взаимосвязанного комплекса математических моделей, корректно описывающих все основные газои термодинамические процессы как в цилиндрах двигателя, так и в элементах впускной и выпускной систем во всем диапазоне рабочих режимов транспортного дизеля. Этот вывод подтверждается следующими результатами, полученными в ходе выполнения данной работы.

1) Разработанный комплекс взаимосвязанных математических моделей рабочих процессов в составных частях турбопоршневых двигателей, позволяет:

— выполнять вариантные расчеты процессов в системах воздухоснабжения и параметров, характеризующих эффективность двигателя в целом при его работе на различных режимах, что определяет возможность еще на стадии проектирования проводить качественные и количественные оценки целесообразности принятых конструктивных решений по системам воздухоснабжения, делать обоснованные выбор принципиальной схемы системы наддува, оценивать влияние конструктивных параметров системы, качества взаимного согласования характеристик агрегатов наддува и поршневой части двигателя, особенностей системы воздухоочистки и системы охлаждения, в том числе наддувочного воздуха, а также наружных условий на эффективные показатели турбопоршневого двигателя в широком диапазоне изменения нагрузки и частот вращения коленчатого вала,.

— оценивать распределение параметров рабочего тела по длине коллекторов систем впуска и выпуска и объективно характеризовать влияние инерционных явлений в элементах систем воздухоснабжения на процессы газообмена и качество наполнения рабочих цилиндров свежим зарядомвыполнять волновую настройку воздушных и выпускных систем с целью улучшения характеристик двигателя на заданном скоростном режиме,.

— получать количественные оценки влияния конфигурации и геометрических соотношений элементов систем впуска и выпуска на эффективность процессов газообмена, на формирование и уровень потерь по длине каналовучитывать взаимное влияние близкорасположенных местных сопротивлений при стационарном и нестационарном характере движения рабочего тела,.

— оценивать целесообразность и эффективность использования нетрадиционных схемных решений по системам воздухоснабже-ния для улучшения динамических характеристик двигателей.

2) Показана принципиальная возможность использования уравнений Эйлера с приближенным механизмом диссипации для описания двумерных нестационарных процессов в составных частях системы воздухоснабжения форсированных дизелей. Сопоставление результатов тестовых расчетов с точньми решениями и экспериментальными данными показало вполне удовлетворительное их согласование с точностью до 5%.

3) Усовершенствован лагранжев этап метода крупных частиц применительно к расчетам одномерных нестационарных процессов в газовоздушных коллекторах и каналах турбопоршневых двигателей, что позволило получить хорошо согласующееся с опытом распределение параметров рабочего тела около границ с цилиндрами и возле разветвлений трубопроводов.

4) Предложены расчетные соотношения, позволяющие формулировать в одномерной постановке нестационарные условия на границах расчетной области, в том числе около цилиндров и в разветвлениях газовоздушных коллекторов, что определяет возможность обоснованного выбора оптимальных фаз газораспределения для заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя.

5) В результате комплекса численных исследований процессов в газовоздушных каналах быстроходного дизеля получена структура нестационарного двумерного течения. Показаны причины возникновения рециркуляционных течений на начальном участке выпускного канала. На этой основе сформулированы принципиальные подходы к профилированию выпускных каналов, в частности, по выбору радиуса сопряжения клапанной тарелки со стержнем клапана, по его согласованию с формой начального участка канала, по построению вогнутых и выпуклых поверхностей канала при заданной общей его диффузорности. Показателями качества профилирования канала являются размеры зон инерционного срыва и область рециркуляционного течения.

6) Проведен анализ влияния конструктивных, факторов на характеристики процессов во впускном коллекторе быстроходного двигателя. В частности, показано, что периодический отбор воздуха из раздающего коллектора приводит к более равномерному распределению свежего заряда по боковым отводам по сравнению со стационарным режимом течения. Выявлено влияние на равномерность распределения относительного расстояния между боковыми отводамис его увеличением равномерность улучшается. Изменение порядка работы цилиндров незначительно сказывается на общем расходе воздуха, вместе с тем происходит перераспределение неравномерности расходов воздуха по отводящим патрубкам.

7) Разработана методика оценки степени совершенства выпускного канала с помощью коэффициента потерь располагаемой работоспособности газа, определенного по переменным за весь период выпуска параметрам рабочего тела на входе в канал и на выходе из выпускного канала. Использование этого коэффициента позволяет сравнивать энергетические характеристики выпускных каналов различной геометрической формы, а также оценивать характер изменения потерь кинетической энергии потока по длине канала.

8) Разработаны методики расчета характеристик турбин и компрессоров с использованием экспериментальных данных по ступеням и с учетом их геометрических параметров, обеспечивающие повышение точности и скорости расчета режимов совместной работы поршневого двигателя и агрегатов наддува. Это позволяет выполнять на стадии доводки турбопоршневого двигателя количественные оценки необходимых конструктивных изменений в лопаточных аппаратах турбомашин при согласовании характеристик двигателя, компрессора и турбины.

9) Выполнено комплексное численное исследование режимов работы высокофорсированного транспортного дизеля с ограниченными значениями максимальных давлений цикла и дополнительной камерой сгорания в системе воздухоснабжения.

Подтверждена принципиальная возможность увеличения агрегатной мощности базовой модели двигателя более чем в два раза при незначительном (на 15−20%) росте газовых нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма за счет соответствующего снижения степени сжатия в рабочих цилиндрах. Результаты расчетного исследования показали, что дополнительная камера сгорания, установленная в систему воздухоснабжения для обеспечения пуска дизеля и его работы на режимах холостого хода и малых нагрузок, позволяет существенно улучшить такие важные для транспортного двигателя показатели, как диапазон изменения частот вращения коленчатого вала и коэффициент приспособляемости. Кроме того, наличие байпасного трубопровода в системе воздухоснабжения определяет. возможность работы компрессора в зоне максимального к.п.д. и исключает помпаж во всем диапазоне изменений скоростных режимов работы двигателя. Вместе с тем, не получило подтверждения известное предположение о значительном снижении количества теплоты, отводимого в систему охлаждения при высоком наддуве.

10. Создан макетный образец высокофорсированного турбо-поршневого транспортного дизеля на базе серийно выпускаемого двигателя 6 ЧН 15/18, оборудованного системой воздухоснабжения, разработанной и изготовленной с использованием результатов численного исследования. Выполнено комплексное экспериментальное исследование его работы на различных режимах. Результаты экспериментов показали, что принятая система воздухоснабжения позволила увеличить мощность двигателя в два раза практически без изменения конструкции деталей базовой модели, наличие дополнительной камеры сгорания и байпасной магистрали позволили расширить диапазон частот вращения вала двигателя до 3, 30, а коэффициент приспособляемости довести до 1,36. Использование предложенной системы значительно улучшает приемистость высокофорсированного двигателя. Время разгона от минимально устойчивой частоты вращения вала двигателя до номинальной находится на уровне двигателя без наддува.