Выбор оптимальных геометрических параметров проточной части турбины поршневого двигателя с газотурбинным наддувом

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.

1. Chen, 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_02

2. 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/10.1243/0957650981536844

3. Adibat, 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_02

4. Palfreyman, 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/10.1115/1.1812322

5. Пассар, 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.2022.4.50-64

6. Митрохин, В. Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах / В. Т. Митрохин. М.: Машиностроение, 1974. 228 с.

7. 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.392.239

8. Пассар, 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/10.18799/24131830/2019/12/2392

9. Пассар, 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.

10. 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.

11. 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/10.21821/2309-5180-2024-16-4-553-566

12. Пассар, 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Чумаков, Ю. А. Теория и расчет транспортных газотурбинных двигателей: учеб. / Ю. А. Чумаков. М.: Форум, 2012. 448 с.

17. Байков, Б. П. Особенности профилирования колес центробежных компрессоров и радиальных центростремительных турбин / Б. П. Байков // Энергомашиностроение. 1959. № 9. С. 45–47.

18. 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/10.21122/1029-7448-2018-61-6-527-538

19. Фиков, 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/10.21122/1029-7448-2021-64-5-426-458

20. Петров, 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.

21. Методика 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.

22. Симсон, А. Э. Газотурбинный наддув дизелей / А. Э. Симсон. М.: Машиностроение, 1964. 248 с.

23. 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.