energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2026-69-2-175-192energy-2553Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGВыбор оптимальных геометрических параметров проточной части турбины поршневого двигателя с газотурбинным наддувомSelection of Optimal Geometric Parameters of the Flow Part of the Turbine of a Piston Engine with a Gas Turbine SuperchargerПассарА. В.PassarA. V.

Адрес для переписки:Вычислительный центр Дальневосточного отделения РАНул. Ким Ю Чена, 65,680000, г. Хабаровск, Российская ФедерацияТел.: +7 (9098) 74-16-23passar_av@mail.ru

Address for correspondence:The Computing Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences65, Kim YuChen str.,680000, Khabarovsk, Russian FederationTel.: +7 (9098) 74-16-23passar_av@mail.ru

passar_av@mail.ruТимошенкоД. В.TimoshenkoD. V.

г. Хабаровск

Khabarovsk

ЧехрановС. В.ChehranovS. V.

г. Владивосток

Vladivostok

Вычислительный центр Дальневосточного отделения РАНРоссияThe Computing Center of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationТихоокеанский государственный университетРоссияPacific National UniversityRussian FederationДальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университетРоссияFar Eastern State Technical Fisheries UniversityRussian Federation202607042026692175192Copyright © Пассар А.В., Тимошенко Д.В., Чехранов С.В., 20262026Пассар А.В., Тимошенко Д.В., Чехранов С.В.Passar A.V., Timoshenko D.V., Chehranov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2553

Представленная работа содержит основные результаты исследования, посвященного определению оптимальной геометрии проточной части радиально-осевой турбины, предназначенной для использования в системе наддува поршневого двигателя. В качестве теоретической базы использован цикл работ, посвященных изучению особенностей функционирования турбин данного типа в условиях импульсной подачи рабочего тела. Актуальность работы обусловлена необходимостью создания высокоэффективных радиально-осевых турбин турбокомпрессоров, применяемых в двигателестроительной отрасли. Математическая модель, основанная на расчете ступени турбины на среднем радиусе, использовалась в прямой и обратной постановках. Прямая постановка применялась для оценки эффективности работы турбины в системе турбонаддува поршневого двигателя. Обратная постановка, в сочетании с методом множителей Лагранжа, позволяла определять предварительную геометрию проточной части опытных турбин. Для более точного моделирования работы турбины в условиях нестационарного потока выпускной системы была разработана квазизамкнутая математическая модель поршневого двигателя с турбонаддувом, учитывающая термогазодинамические процессы в цилиндре, выпускном тракте и турбокомпрессоре. Численное решение этой модели позволило получить характеристики исследуемых турбин, работающих в реальных условиях нестационарного потока. Результаты комплексного сравнения опытных турбин, спроектированных с помощью метода множителей Лагранжа, и штатной турбины турбокомпрессора ТКР-14С-27 показали, что опытные турбины эффективнее штатной турбины по всему комплексу параметров. Данные результаты позволили предложить новую геометрию проточной части турбины турбокомпрессора ТКР-14, обеспечивающую более эффективное срабатывание нестационарного газодинамического воздействия поршневой части с улучшением эффективных показателей двигателя с наддувом в целом.

The presented work contains the main results of a study devoted to determining the optimal geometry of the flow part of a radial-axial turbine intended for use in the supercharging system of a piston engine. A series of works devoted to studying the features of the functioning of turbines of this type under conditions of pulsed supply of the working fluid was used as a theoretical basis. The relevance of the present work is due to the need to create highly efficient radial-axial turbocharger turbines used in the engine industry. A mathematical model based on the calculation of a turbine stage at the average radius was used in both direct and inverse formulations. The direct formulation was used to evaluate the efficiency of the turbine in the turbocharging system of a piston engine. The inverse formulation, combined with the Lagrange multiplier me-thod, allowed for the determination of the preliminary geometry of the flow path of the expe-rimental turbines. A quasi-closed mathematicalmodel of aturbochargedpistonengine has beendevelopedformoreaccuratesimulationofturbine operation underconditions of unsteadyexhaustflow, taking into accountthermogasodynamicprocessesin the cylinder,exhaustductandtur-bocharger. The numericalsolution of thismodel made it possible to obtain the characteristics of the studiedturbinesoperatinginrealconditions of unsteadyflow. The results of a comprehensivecomparison of experimentalturbinesdesignedusing the Lagrangemultipliermethodand the standardturbine of the TKR-14C-27turbochargershowedthat the experimentalturbines are more efficient than the standardturbine in theentirerange of parameters. Theseresults made it possible to proposeanewgeometry of the flowpart of the turbine of the TKR-14turbocharger, which providesmoreefficientoperation of the non-stationary gas dynamicaction of the pistonpartwithimprovedefficiencyof the superchargedengine as awhole.

газотурбинный наддувтурбокомпрессорстепень реактивностистепень радиальностиконструктивный угол выхода из соплового аппаратаконструктивный угол выхода из рабочего колесамеридиональный контурэффективный КПД турбиныКПД срабатывания импульсаgas turbine chargingturbochargerdegree of reactivitydegree of radicalityconstructive angle of exit from the nozzleconstructive angle of exit from the impellermeridional contoureffective turbine efficiencypulse triggering efficiencyReferencesChen, H. Modelling of a turbocharger turbine under pulsating inlet conditions / H. Chen, I. Hakeem, R. F. Martinez-Botas // Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 1996. Vol. 210, No 5. P. 397–408. https://doi.org/10.1243/pime_proc_1996_210_063_02Chen H., Hakeem I., Martinez-Botas R. F. (1996) Modelling of a Turbocharger Turbine under Pulsating Inlet Conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 210 (5), 397–408.Prediction of the steady and non-steady flow performance of a highly mixed-flow turbine / M. Adibat, M. Hachemi, M. K. Hamidou, N. C. Baines // Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 1998. Vol. 212, No 3. P. 173–183. https://doi.org/10.1243/0957650981536844Abidat M., Hachemi M., Hamidou M. K., Baines N. C. (1998) Prediction of the Steady and Non-Steady Flow Performance of a Highly Loaded Mixed Flow Turbine. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 212 (3), 173–184. https://doi.org/10.1243/0957650981536844Adibat, M. Design of a highly loaded mixed flow turbine / M. Adibat, N. C. Baines, M. R. Firth // Proceedings of the Institute of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 1992. Vol. 206, No 2. P. 95–107. https://doi.org/10.1243/pime_proc_1992_206_016_02Abidat M., Baines N. C., Firth M. R. (1992) Design of a Highly Loaded Mixed Flow Turbine. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 206 (2), 95–107. https://doi.org/10.1243/pime_proc_1992_206_016_02Palfreyman, D. The pulsating flow field in a mixed flow turbocharger turbine: an experimental and computational study / D. Palfreyman, R. F. Martinez-Botas // Journal of Turbomachinery. 2005. Vol. 127, No 1. P. 144–155. https://doi.org/10.1115/1.1812322Palfreyman D., Martinez-Botas R. F. (2005) The Pulsating Flow Field in a Mixed Flow Turbocharger Turbine: an Experimental and Computational Study. Journal of Turbomachinery, 127 (1), 144–155. https://doi.org/10.1115/1.1812322Пассар, А. В. Выбор метода проектирования радиально-осевых турбин для поршневых двигателей / А. В. Пассар, Л. П. Цыганкова // Двигателестроение. 2022. № 4. С. 50–64. https://doi.org/10.18698/jec.2022.4.50-64Passar A. V., Tsygankova L. P. (2022) The choice of a design method for radial-axial turbines for reciprocating engines. Dvigatelestroyeniye, (4), 50–64 (in Russian). https://doi.org/10.18698/jec.2022.4.50-64Митрохин, В. Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах / В. Т. Митрохин. М.: Машиностроение, 1974. 228 с.Mitrokhin V. T. (1974) Selection of Parameters and Calculation of a Centripetal Turbine in Stationary and Transient Modes. Moscow, Mashinostroenie Publ. 228 (in Russian).Passar, А. V. Application of a new design and calculation technology for improving the blading section of the engine with turbine supercharger / A. V. Passar, D. V. Timoshenko, E. V. Faleeva // Defect and Diffusion Forum. 2019. Vol. 392. P. 239–252. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.392.239Passar А. V., Timoshenko D. V., Faleeva E. V. (2019) Application of a New Design and Calculation Technology for Improving the Blading Section of the Engine with Turbine Supercharger. Defect and Diffusion Forum, 392, 239–252. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.392.239Пассар, А. В. Влияния высот лопаток рабочего колеса центростремительной турбины на газодинамику течения / А. В. Пассар // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330, № 12. С. 54–63. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/12/2392Passar A. V. (2019) Influence of Blade Heights in the Turbine Impeller on Flow Gas Dyna-mics. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 330 (12), 54–63 (in Russian). https://doi.org/10.18799/24131830/2019/12/2392Пассар, А. В. Связь степени радиальности радиально-осевой турбины с эффективностью ее работы в составе поршневого двигателя / А. В. Пассар, Ю. Я. Фершалов // Двигателестроение. 2023. № 2. С. 23–34.Passar A. V., Fershalov Yu. Ya. (2023) The Relationship Between the Degree of Radiality of a Radial-Axial Turbine and the Efficiency of its Operation as Part of a Piston Engine. Dvigatelestroyeniye, (2), 23–34 (in Russian).Пассар, А. В. Исследование влияния степени радиальности на структуру потока в проточной части радиально-осевой турбины газотурбинной установки / А. В. Пассар, Д. В. Тимошенко // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 5. С. 24–38.Passar A. V., Timoshenko D. V. (2017) Research of Radiality Degree Effect on Stream Structure in a Flow Range of Radial-Axial Turbine in a Gas-Turbine Plant. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 328 (5), 24–38 (in Russian).Пассар, А. В. Влияние конструктивного угла выхода сопел турбины системы наддува поршневого двигателя на эффективность ее работы / А. В. Пассар, Д. В. Тимошенко // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2024. Т. 16, № 4. С. 553–566. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2024-16-4-553-566Passar A. Timoshenko D. (2024) The Effect of the Design Angle of the Turbine Nozzle Outlet of the Piston Engine Boost System on its Effectiveness. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 6 (4), 553–566 (in Russian). https://doi.org/10.21821/2309-5180-2024-16-4-553-566Пассар, А. В. Влияние угла выхода потока газа из рабочего колеса турбины на эффективность ее работы в составе комбинированного двигателя / А. В. Пассар // Машиностроение и инженерное образование. 2019. № 4 (61). С. 2–12.Passar A. V. (2019) Influence of the Angle of Exit of the Gas Flow From the Turbine Impeller on the Efficiency of its Operation as Part of a Combined Engine. Mashinostroenie i in-zhenernoe obrazovanie = Mechanical engineering and engineering education, (4), 2–12 (in Russian).Пассар, А. В. Влияние конструктивного угла выхода рабочего колеса турбины на характер течения газа в межлопаточном канале / А. В. Пассар, Д. В. Тимошенко, Ю. Я. Фершалов // Двигателестроение. 2022. № 2 (288). С. 39–52.Passar A. V., Timoshenko D. V., Fershalov Yu. Ya. (2022) The Influence of the Design Angle of the Turbine Impeller Outlet on the Nature of Gas Flow in the Interscapular Duct. Dvigatelestroyeniye, (2), 39–52. (in Russian).Пассар, А.В. Влияние ширины рабочего колеса на эффективность радиально-осевой турбины / А. В. Пассар // Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 4 (53). С. 61–73.Passar A. V. (2017) The Influence of the Width of the Impeller on the Efficiency of a Radial-axial Turbine. Mashinostroenie i inzhenernoe obrazovanie = Mechanical engineering and engineering education, (4), 61–73 (in Russian).Пассар, А. В. Влияние формы меридионального контура рабочего колеса на параметры потока газа в радиально-осевой турбине газотурбинной установки / А. В. Пассар // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 9. С. 33–48.Passar A. V. (2017) Influence of a Meridian Contour Form in a Driving Wheel on Gas Flow Parameters in a Radially-Axial Turbine of a Gas-Turbine Plant. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 328 (9), 33–48. (in Russian).Чумаков, Ю. А. Теория и расчет транспортных газотурбинных двигателей: учеб. / Ю. А. Чумаков. М.: Форум, 2012. 448 с.Chumakov Yu. A. (2012) Theory and Calculation of transport Gas Turbine Engines. Moscow, Forum Publ. 448 (in Russian).Байков, Б. П. Особенности профилирования колес центробежных компрессоров и радиальных центростремительных турбин / Б. П. Байков // Энергомашиностроение. 1959. № 9. С. 45–47.Baykov B. P. (1959) Features of Profiling the Wheels of Centrifugal Compressors and Radial Centripetal Turbines. Energomashinostroyeniye [Power Plant Engineering], (9), 45–47 (in Russian).Сабуров, Э. Н. Аэродинамика и устойчивость потока в относительно длинных циклонных камерах / Э. Н. Сабуров, Д. А. Онохин // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2018. Т. 61, № 6. С. 527–538. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-527-538Saburov E. N., Onokhin D. A. (2018) Aerodynamics and Stability of the Flow in Relatively Long Cyclone Chambers. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeti-cheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (6), 527–538 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-527-538Фиков, А. С. Метод расчета переходных процессов в газопроводе / А. С. Фиков // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 5. С. 446–458. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-5-426-458Fikov A. S. (2021) Method for Calculating Transients in a Gas Pipeline. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (5), 446–458 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-5-426-458Петров, В. А. Математическое описание характеристик тепловыделения в турбопоршневых двигателях на различных режимах / В. А. Петров, В. А. Алексеев // Двигателе-строение. 1981. № 6. C. 3–5.Saburov E. N., Onokhin D. A. (2018) Aerodynamics and Stability of the Flow in Relative-ly Long Cyclone Chambers. Enеrgеtika. Proс. СIS Higher Educ. Inst. аnd Power Eng. Assoc. 61 (6), 527–538 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-6-527-538Методика расчета потерь кинетической энергии в сопловых и рабочих решетках при моделировании переменных режимов центростремительных МРТ / С. В. Чехранов, Р. Р. Симашов, Ю. Л. Куликов, И. Н. Ханькович // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона: материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Двигатели 2005» (Хабаровск, 19–22 сент. 2005 г.) / под ред. В. А. Лашко. Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2005. C. 113–116.Fikov A. S. (2021) Method for Calculating Transients in a Gas Pipeline. Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc. 64 (5), 446–458 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-5-426-458.Симсон, А. Э. Газотурбинный наддув дизелей / А. Э. Симсон. М.: Машиностроение, 1964. 248 с.Alekseev V. A., Petrov V. A. (1981) Mathematical Description of Heat release in Turbo-Piston Engines at Different Regimes. Dvigatelestroenie, (6), 3–5 (in Russian).Байков, Б. П. Особенности расчета турбины, работающей на газах переменного давления / Б. П. Байков // Труды Центрального научно-исследовательского дизельного института. 1955. Вып. 28. С. 68–87.Chehranov S. V., Simashov R. R., Kulikov Yu. L., Khankovich I. N. (2005) Methods for Calculating Kinetic Energy Losses in Nozzle and Working Arrays when Modeling Variable Modes of Centripetal Small Radial Turbines. Aktual'nye problemy razvitiya i ekspluatatsii porshnevykh dvigatelei v transportnom komplekse Aziatsko-Tikhookeanskogo regiona: materialy Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. “Dvigateli 2005” (Khabarovsk, 19–22 sent. 2005 g.) [Actual Problems of Development and Operation of Reciprocating Engines in the Transport Complex of the Asia-Pacific Region: Proceedings of the International Scientific and Technical Confe-rence “Engines 2005”. Khabarovsk, September 19–22]. Khabarovsk, Publishing House of the Pacific State University, 113–116 (in Russian).Simson A. E. (1964) Gas Turbine Supercharging of Diesels. Moscow, Mashinostroenie Publ, 248. (In Russian)Simson A. E. (1964) Gas Turbine Supercharging of Diesels. Moscow, Mashinostroenie Publ, 248. (In Russian)Baykov B. P. (1955) Calculation Features of a Turbine Operating on Gases of Variable Pressure. Proceedings of the Central Research Diesel Institute, iss. 28, 68–87 (in Russian).Baykov B. P. (1955) Calculation Features of a Turbine Operating on Gases of Variable Pressure. Proceedings of the Central Research Diesel Institute, iss. 28, 68–87 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.