Влияние конструктивного угла выхода сопел турбины системы наддува поршневого двигателя на эффективность ее работы

Статья посвящена актуальной проблеме недостаточной энергетической эффективности судовых двигателей внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Одно из направлений решения этой проблемы, а именно обоснованный выбор оптимального значения конструктивного угла установки сопел в радиально-осевой турбине агрегата наддува, учитывающий как ее эффективную мощность, так и коэффициент полноты использования подведенной энергии импульса давления, является целью данной работы. В качестве инструмента исследования была применена квазизамкнутая модель двигателя с газотурбинным наддувом, встроенная в новый расчетный метод, разделенный на условные блоки. В первом блоке нового метода способом неопределенных множителей Лагранжа выполняется вычисление оптимальных значений геометрических элементов радиально-осевой турбины, в которых происходит движение газа. Во втором блоке для предварительной оценки рассчитанных геометрических параметров проточной части выполняется расчет характеристик турбины, основанный на допущении об одномерности и квазистационарности потока. Для вычислений использован метод расчета параметров турбины на среднем радиусе меридионального сечения, дополненный полуэмпирической методикой расчета потерь энергии газа при движении последнего от входа в турбину к выходному сечению. В третьем блоке выполнена оценка коэффициента полезного действия турбины при совместной работе с поршневым двигателем путем применения для него замкнутой модели. Это позволило объективно оценить такие характеристики турбины, как коэффициента полезного действия и мощность, которые функционально связаны с импульсом давлений в выпускном тракте, что дает возможность прогнозировать эксплуатационные характеристики турбины, работающей совместно с поршневым двигателем.

1. Рыжов В. А. Состояние Российского дизелестроения для стратегических отраслей / В. А. Рыжов // Двигателестроение. — 2019. — № 3 (277). — С. 3–7.

2. Новые технологии в двигателестроении (материалы конгресса CIMAC 2016) // Двигателестроение. — 2018. — № 3 (273). — С. 35–54.

3. Циплёнкин Г. Е. Повышение эффективности работы двигателя на низких нагрузках за счет оптимизации системы наддува / Г. Е. Циплёнкин, В. И. Иовлев // Двигателестроение. — 2018. — № 2 (272). — С. 20–28.

4. Развитие конструкции газовых двигателей (по материалам конгресса CIMAC) // Двигателестроение. — 2020. — № 3 (281). — С. 35–53.

5. Пассар А. В. Влияние 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. DOI: 10.18799/24131830/2019/12/2392.

6. Fershalov A. Y. Principles of designing gas microturbine stages / A. Y. Fershalov, Y. Y. Fershalov, M. Y. Fershalov // Energy. — 2021. — Vol. 218. — Pp. 119488. DOI: 10.1016/j.energy.2020.119488.

7. Коленько Г. С. Нестационарное аэродинамическое взаимодействие лопаточных венцов в энергетических осевых турбинах и пути повышения вибрационной надежности рабочих лопаток / Г. С. Коленько, Н. А. Забелин, Г. А. Фокин // Двигателестроение. — 2021. — № 3 (285). — С. 7–11.

8. Крюков А. А. Моделирование потерь энергии в центростремительной турбине с частичным облопачиванием рабочего колеса / А. А. Крюков, С. В. Куличков, А. А. Ратников // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2023. — Т. 15. — № 5. — С. 858– 866. DOI: 10.21821/2309-5180-2023-15-5-858-866.

9. Крюков А. А. Сравнение значений коэффициентов скорости в турбинной ступени с частичным облопачиванием рабочего колеса / А. А. Крюков, С. В. Чехранов // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2021. — Т. 13. — № 2. — С. 257–265. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-2-257-265.

10. 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. DOI: 10.18698/jec.2022.2.39-52.

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

12. Мидзумати Н. Исследование радиальных газовых турбин / Н. Мидзумати. — М.: Машгиз, 1961. — 120 с.

13. Одиванов Л. Н. Исследование радиально-осевой турбины турбокомпрессора / Л. Н. Одиванов, А. П. Тунаков // Энергомашиностроение. — 1964. — № 9. — С. 23–26.

14. Кельштейн Д. М. Угол установки сопловых лопаток для новой конструкции входного направляющего аппарата турбины турбокомпрессора / Д. М. Кельштейн // Двигатели внутреннего сгорания. — 1966. — Вып. 3. — С. 71–74.

15. Dixon S. L. Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery / S. L. Dixon. — Oxford, Butterworth–Heinemann, 1998. — 322 p.

16. Galindo J. Characnerization of a radial turbocharger turbine in pulsating flow by means of CFD and its applications to engine modeling / J. Galindo, P. Fajardo, R. Navarro, L. M. Garcia-Cuevas // Applied Energy. — 2013. — № 103. — Pp. 116–127. DOI: 10.1016/j.apenergy.2012.09.013.

17. Newton P. Three–Dimensional Computational Study of Pulsating Flow inside a Double Entry Turbine / P. Newton, R. Martinez–Botas, M. A. Seiler // Journal of Turbomachinery. — 2015. — Vol. 137. — Is. 3. — Pp. 031001. DOI: 10.1115/1.4028217.

18. Sanaye S. A new method for optimum selection of two-stage turbocharger for heavy duty diesel engine / S. Sanaye, S. S. Ghadikolaee, S. A. A. Moghadam // International Journal of Heavy Vehicle Systems. — 2015. — Vol. 22. — No. 1. — Pp. 42–72. DOI: 10.1504/IJHVS.2015.070416.

19. Петров В. А. Математическое описание характеристик тепловыделения в турбопоршневых двигателях на различных режимах / В. А. Петров, В. А. Алексеев // Двигателестроение. — 1981. — № 6. — С. 3–5.

20. Лашко В. А. Расчет коэффициента потерь кинетической энергии в проточной части как одна из проблем реализации комплексного подхода / В. А. Лашко, А. В. Пассар // Вестник Тихоокеанского государственного университета. — 2011. — № 1 (20). — С. 79–90.

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