CC BY
90
7. Работа автомобильной шины/ В.И. Кнороз, В.Е. Кленников, И.П. Петров и др.; Под ред. В.И. Кнороза. - М.: Транспорт, 1976. - 236 с.
8. Бухин Б.Л. Введение в механику пневматических шин. - М.: Химия, 1988. - 224 с.
Применение программного комплекса FloEFD для численного исследования
характеристик турбокомпрессора
Григоров И.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B., Трофимович И.В.
Университет машиностроения, НПО «Турботехника»
turbo'akamturbo. ru
Аннотация. Описывается опыт использования программного комплекса FloEFD для трехмерного газодинамического расчета вязкого течения газа в турбинной ступени турбокомпрессора при проектировании системы турбонаддува двигателя.
Ключевые слова: турбокомпрессор, газодинамический расчет, распределение площадей, геометрия улитки
При создании системы турбонаддува двигателя для корректного согласования турбины и компрессора, турбокомпрессора и двигателя необходимо выполнить целый ряд расчетов компрессорной и турбинной ступеней турбокомпрессора [4]. В данной работе мы рассмотрим только небольшую часть расчетов, выполненных с использованием программного комплекса FloEFD.
Важной задачей при проектировании турбонаддува является обеспечение мощности турбины на привод компрессора по всей расходной характеристике двигателя [6]. Используя программный комплекс FloEFD, выполнен трехмерный газодинамический расчет вязкого течения газа в турбинной ступени турбокомпрессора ТКР 80.05.12, предназначенного для двигателя ЯМЗ-536 Евро-4. Определяющей частью решения газодинамических задач в FloEFD является построение сетки, которая, с одной стороны, обеспечивает приемлемую точность получаемого решения, с другой - позволяет считать задачу на персональном компьютере. FloEFD сетка имеет прямоугольную форму, так что стороны ячейки ортогональны осям системы координат и не совпадают с геометрией модели. Сетка должна удовлетворять следующим критериям:
• адекватно описывать твердотельную геометрию;
• возможность адаптации сетки с учетом больших градиентов параметров;
• иметь приемлемое число ячеек для расчета на обычном ПК;
• при дальнейшем уточнении сетки не должно наблюдаться качественного и/или существенного изменения результатов вычислений.
Для получения сетки, удовлетворяющей заданным критериям, были проведены расчеты при различных окружных скоростях колеса турбины 250 м/с и 450 м/с с грубой сеткой, имеющей 812205 потоковых ячеек (рисунок 2), и при окружной скорости колеса турбины 450 м/с и с улучшенной сеткой на поверхности твердотельной геометрии, имеющей 2870282 потоковых ячеек (рисунок 3). Расчетная ЗО-модель турбинной ступени показана на рисунке 1. В качестве граничных условий задавались следующие параметры:
• на входе - полное давление и статическая температура;
• на выходе Environment Pressure - давление внешней среды, интерпретируемое как полное давление втекающей в модель текущей среды и как статическое давление вытекающей из модели текущей среды.
Вращение колеса турбины задавалось специальным регионом с локальной вращающейся системой координат. При этом параметры течения на границе вращающейся области, рассчитанные с учетом течения в стационарной области, будут служить граничными условиями для этой области.
Расчетной средой является выхлопной газ, который задавался в виде массовых долей
Рисунок 2. Грубая сетка
четырех газов: диоксид углерода, вода, кислород и азот.
\ Вход
Рисунок 1. Расчетная ЗВ-модель Рисунок 3. Улучшенная сетка на поверхности турбинной ступени твердотельной геометрии
0.4J
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 Степень понижения давления жт = p^Vp^
Характеристики турбины ТКР 80.05.12
dxl = 69,6 мм, dT2 = 55,8 мм, dT0 = 22 мм, z = 10, FT =4+6П см2.
- CFD расчет при окружной скорости 250 м/с с грубой сеткой
- CFD расчет при окружной скорости 450 м/с с грубой сеткой
CFD расчет при окружной скорости 450 м/с с улучшенной сеткой на поверхности твердотельной геометрии
Рисунок 4. Сравнение результатов CFD расчета с экспериментальной характеристикой
Корпус турбины
Вращающийся
турбины
регион
Выход
Колесо
Расчет производился на компьютере Intel(R) Core(TM) i7 CPU 950 @ 3.07GHz с оперативной памятью 6 ГБ.Расчетное время одной точки при решении на грубой сетке составило 4 часа, на улучшенной сетке 12 часов. Объем оперативной памяти, затраченной на расчет, составил 1,7 Гбайта и 5 Гбайтов соответственно.
Сравнение результатов CFD расчета с экспериментальной характеристикой представлено на рисунке 4. Следует отметить, что результаты CFD расчета отличаются от экспериментальных характеристик не более чем на 1 %. При этом расчет на улучшенной сетке совпал с расчетом на грубой сетке. Улучшение сетки на поверхности твердотельной геометрии не дало качественного (существенного) изменения результатов вычислений, при этом время расчета увеличилось в 3 раза. В связи с этим можно сделать заключение, что CFD расчет турбинной ступени можно выполнять на грубой сетке без существенного ухудшения точности совпадения экспериментальных и расчетных данных.
При расчете наддува двигателя важным этапом расчетов является также определение расходной характеристики турбины [1], [2], [3]. В автотракторной области, как правило, используются турбокомпрессоры с турбинами центростремительного типа с безлопаточными сопловыми аппаратами, поэтому элементом, определяющим расход, который протекает через турбину, является улитка [5].
На данном этапе развития науки и техники существуют различные одномерные методики проектирования улиток с учетом потерь на трения, а также с учетом потерь, связанных с вторичными течениями, которые возникают при профилировании сечения улитки сложной формы и поворотом потока. К сожалению, эти методы не могут учесть сложную пространственную структуру потока, протекающего в улитке. Численное решение трехмерного вязкого течения позволяет определить места с повышенными потерями и увидеть распределения параметров на входе в рабочее колесо турбины [7], которые влияют как на эффективность
процесса расширения газа в турбине, так и на его расход.
*
Перемычка
I
Рисунок 5
На рисунке 5 показана геометрия расчетной модели рабочего колеса турбины с улиткой. Здесь также показаны характерные площади, которые рассматривались в процессе оптимизации проходных сечений улитки (Б^ - площадь, определяющая расход газа через турбину, Б - площадь под языком улитки). В результате расчетов исходной геометрии улитки была выявлена застойная зона под языком улитки. Укрупненно картина течения на входе в рабочее колесо турбины в области застойной зоны показана на рисунке 2 (приведены радиальные скорости, определяющие расход, протекающий через турбину).
Полученная структура потока с неравномерными полями параметров по окружности рабочего колеса приводит к снижению эффективности турбины, а также уменьшению расхода рабочего тела через турбину.
В результате конструкторских и газодинамических проработок была выбрана геометрия с уменьшенной неравномерностью потока на входе рабочего колеса (рисунок 6, справа). Расход, протекающий через турбину в соответствующих точках, увеличился на 3% по срав-
нению с исходным вариантом. Это очень важно учитывать при согласовании турбокомпрессора с двигателем.
Вариант! Вариант2 Вариант! Вариант2
Рисунок 6 Рисунок 7
Оптимизация геометрии улитки проводилась путем изменения площади под языком улитки Б, при этом площадь оставалась неизменной. Схемы двух вариантов улиток показаны на рисунке 7 (слева - вариант исходной геометрии, справа - после доработки). Измене-
"T=P*VPT2
Рисунок 8
Таким образом, в результате проведенных расчетов показано, как важно правильно учитывать распределения параметров на входе в рабочее колесо турбины. Неверный учет потерь, а также структуры потока в улитке приводит к ошибке в определении расхода через турбину, что недопустимо при проектировании нового изделия. Использование трехмерных численных методов помогает учесть сложное течение газа в улитке и скорректировать геометрию, полученную в результате одномерного или двумерного проектировочного расчета.
Литература
1. Алямовский A.A. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.:БХВ-Петербург, 2008-1040 с.
2. Алямовский A.A. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. M.: ДМК Пресс, 2010464 с.
3. Каминский В.Н., Григоров И.Н., Каминский Р.В., Сибиряков C.B. м др. Опыт разработки систем наддува двигателей КАМАЗ Euro-4. Журнал Автомобильных Инженеров № 4 (69) 2011, № 5(70) 2012, Издательский дом ААИ, Москва, 2011, 2012, с. 28-35, 16-17.
4. Каминский В.Н., Каминский Р.В. и др. Разработка программных продуктов в НПО «Тур-ботехника» для проектирования систем наддува на примере двигателя Д-242 EURO-4. Сб.
трудов «V Международная научно-практическая конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве» Часть 2 , Протвино, 2011г.415 е., с.312-313
5. Митрохин В. Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М., «Машиностроение», 1974, 228 с.
6. Симеон А.Э., Каминский В.Н. Турбонаддув высокооборотных дизелей, М., Машиностроение, 1976.
7. Шерстюк А. Н., Зарянкин А. Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М., «Машиностроение», 1976, 208 с.
Информационные технологии - важнейший инструмент в создании современного производства автокомпонентов
д.т.н. проф. Каминский В.Н.
Университет машиностроения, НПО «Турботехника»
1игЬо'akamturbo.ru
Аннотация. Статья содержит краткое обобщение результатов научно-технических разработок и их практического воплощения в производстве турбокомпрессоров и других агрегатов на предприятии НПО «Турботехника».
Ключевые слова: турбокомпрессор, информационные технологии, автоматизация, расчетный комплекс
Уровень развития машиностроительной отрасли, в частности двигателестроения, во многом определяет уровень экономики страны в целом. В современных условиях мирового рынка, с учетом высокой конкурентоспособности иностранных производств, необходимости соблюдения жестких норм по качеству и экологии, создание современных отечественных производств является сложной, многоплановой и безотлагательной задачей. На всех этапах ее решения важнейшим инструментом служат информационные технологии.
Опыт НПО «Турботехника» является примером создания, становления и развития отечественного производства. Почти четверть века предприятие занимается разработкой, проектированием и производством турбокомпрессоров и других систем и агрегатов двигателей, а также разработкой и созданием контрольно-исследовательских стендов для агрегатов наддува. На предприятии создана, действует и непрерывно совершенствуется единая информационная структура предприятия (рисунок 1).
ПУБЛИКАЦИИ ИНТЕРАКТИВНЫЙ
НАУЧНО- АРХИВ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ТЕХНИЧЕСКОЙ
РАЗРАБОТОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рисунок 1. Единая информационная структура НПО «Турботехника»
