namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2023-1-6-18nami-262Research ArticleДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЕENGINE DEVELOPMENTТурбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом: газодинамический расчёт, 3D-моделирование, CFD-анализ, характеристикиVariable nozzle turbocharger: gas-dynamic calculation, 3D modeling, CFD analysis, characteristicsРумянцевВ. В.RumyantsevV. V.

Румянцев Валерий Владимирович – канд. техн. наук, доцент, Кафедра «Автомобили, автомобильные двигатели и дизайн»

г. Набережные Челны 423812

Rumyantsev V.V. – PhD (Eng), associate professor, Department “Automobiles, automobile engines and design”

Naberezhnye Chelny 423812

vvr1954@mail.ruЛущекоВ. А.LushchekoV. A.

Лущеко Василий Александрович – канд. техн. наук, Кафедра «Автомобили, автомобильные двигатели и дизайн»

г. Набережные Челны 423812

Lushcheko V.A. – PhD (Eng), associate professor, 

Department “Automobiles, automobile engines and design”

Naberezhnye Chelny 423812

luvasiliy@yandex.ruМавлеевИ. Р.MavleevI. R.

Мавлеев Ильдус Рифович – канд. техн. наук, доцент, Кафедра «Автомобили, автомобильные двигатели и дизайн»

г. Набережные Челны 423812

Mavleev I.R. – PhD (Eng), associate professor, 

Department “Automobiles, automobile engines and design”

Naberezhnye Chelny 423812

mirkampi@mail.ruПавленкоА. П.PavlenkoA. P.

Павленко Алексей Петрович – канд. техн. наук, Кафедра «Автомобили, автомобильные двигатели и дизайн»

г. Набережные Челны 423812

Pavlenko A.P. – PhD (Eng), associate professor, 

Department “Automobiles, automobile engines and design”

Naberezhnye Chelny 423812

pavlenko_aleksey@mail.ruНабережночелнинский институт (филиал) ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»РоссияNaberezhnye Chelny Institute (branch) Kazan (Volga Region) Federal UniversityRussian Federation20230704202301618Copyright © Румянцев В.В., Лущеко В.А., Мавлеев И.Р., Павленко А.П., 20232023Румянцев В.В., Лущеко В.А., Мавлеев И.Р., Павленко А.П.Rumyantsev V.V., Lushcheko V.A., Mavleev I.R., Pavlenko A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/262

Введение (постановка задачи и актуальность). Ужесточающиеся экологические требования к двигателям транспортных средств требуют разработки и внедрения высокоэффективных турбокомпрессоров. Переход от внешнего к внутреннему регулированию, а именно к регулируемому сопловому аппарату (РСА) турбины, продиктован необходимостью сокращения времени переходных процессов при работе двигателя и самого транспортного средства. Цель исследования заключается в разработке и подтверждении методологии (общей стратегии) проектирования и модернизации радиально-осевых турбин с РСА. Методология и методы. В работе использовано сочетание моделей расчёта самого двигателя с предварительной верификацией по результатам испытаний на моторном стенде (AVL BOOST, CRUISE M), газодинамического расчёта турбинной ступени с определением геометрических параметров лопаточного венца, корпуса (улитки) и механизма привода лопаток, их геометрического моделирования (Siemens NX) с последующим экспортом 3D-моделей, гидродинамического моделирования течения в ступени, в том числе с учётом переносной составляющей (с вращением рабочего колеса) и построения характеристик ступени (AVL FIRE).  Результаты и научная новизна. Сочетание (синтез) расчётных моделей различного уровня позволяет определить геометрические параметры турбины турбокомпрессора с РСА, обеспечивающие высокую эффективность (коэффициент полезного действия) турбинной ступени с одновременным смещением режима максимального крутящего момента самого двигателя в область более низких значений частот вращения коленчатого вала (по внешней скоростной характеристике).  Практическая значимость работы заключается в сокращении времени проектировочных и последующих доводочных (экспериментальных) работ при создании и модернизации турбин с РСА малоразмерных турбокомпрессоров. Полученные значения относительных геометрических параметров могут быть использованы на стадии проектирования.

Introduction (problem statement and relevance). The environmental requirements for vehicle engines becoming more stringent require development and introduction of high-performance turbo chargers. Transition from external to internal varying, namely to the variable nozzles of the turbine, is caused by the necessity to reduce the transient process time during operation of the engine and the vehicle itself.The purpose of the study is development and confi rmation of the methodology (general strategy) for designing and modernization of radial-axial turbines with variable nozzles.Methodology and research methods. The study used the combination of calculation models for the engine itself with preliminary verifi cation based on the results of tests on the engine test bench (AVL BOOST, CRUISE M), gas-dynamic calculation of the turbine stage with determination of geometric parameters of the blade ring, housing (volute) and blade drive mechanism, their geometric modeling (Siemens NX) followed by 3D models export, CFD simulation of the stage fl ow including taking into account the transfer element (with impeller rotation) and generation of the stage curves (AVL FIRE).Scientific novelty and results. Combination (synthesis) of calculation models of different levels makes it possible to determine geometric parameters of the turbocharger turbine with variable nozzles providing high effi ciency (performance factor) of the turbine stage with a simultaneous shift of the maximum torque mode of the engine itself to the area of lower crankshaft rotation rate (along the full-load curve).Practical signifi cance of the paper consists in reduction of the time of design and subsequent refi nement (experimental) works during creation and modernization of turbines with variable nozzles of small-sized turbochargers. The obtained values of relative geometric parameters can be used at the design stage

двигатель внутреннего сгораниянаддувтурбокомпрессортурбинасопловой аппаратрегулированиеinternal combustion engineboostpressure chargingturbochargerturbineset of nozzlesvaryingReferencesРумянцев В.В., Тиунов С.В., Биктимиров Р.Л. Регулирование турбокомпрессоров автотракторных двигателей: Монографическое исследование. – Набережные Челны: Камская государственная инженерно- экономическая академия, 2010. – 212 с.Rumyantsev V.V., Tiunov S.V., Biktimirov R.L. [Regulation of turbochargers of auto-tractor engines: Monographic study]. Naberezhnye Chelny, Kamskaya gosudarstvennaya inzhenerno-ekonomicheskaya akademiya Publ., 2010. 212 p. (In Russian)Румянцев В.В. Перспективы развития систем наддува транспортных дизелей // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация. – Набережные Челны: НЧИ КФУ, 2016. – № 3 (70). URL: http://kpfu.ru/portal/docs/F531406078/Rumyancev.pdf (дата обращения: 26.10.2022).Rumyantsev V.V. [Prospects for the development of pressurization systems for transport diesel engines]. Sotsial’no-ekonomicheskie i tekhnicheskie sistemy: issledovanie, proektirovanie, optimizatsiya. Naberezhnye Chelny, NChI KFU Publ., 2016, no. 3 (70). Available at: http://kpfu.ru/portal/docs/F531406078/Rumyancev.pdf (accessed 26 October 2022). (In Russian)Химич В.Л., Епифанов Д.В. Выбор системы наддува в зависимости от требований экологических стандартов и уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля // Вестник УГАТУ. – 2010. – № 5 (40). – С. 38–45.Khimich V.L., Epifanov D.V. [The choice of pressurization system depending on the requirements of environmental standards and the level of forcing of a highspeed automobile diesel engine]. Vestnik UGATU, 2010, no. 5 (40), pp. 38–45. (In Russian)Попов Н.С., Изотов С.П., Антонов В.В. и др. Транспортные машины с газотурбинными двигателями / Под общ. ред. Н.С. Попова; 2-е изд., переаб. и доп. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1987. – 259 с.Popov N.S., Izotov S.P., Antonov V.V. et al. [Transport vehicles with gas turbine engines. Ed. by Popov N.S.]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1987. 259 p. (In Russian)Гатауллин Н.А., Гафуров Г.Г., Галеев А.Х. и др. Создание малоразмерных автотракторных турбокомпрессоров в ОАО КамАЗ / Труды юбилейной научно- практической конференции «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан». – Набережные Челны: Изд-во ОАО «КамАЗ», 1999. – С. 95–101.Gataullin N.A., Gafurov G.G., Galeev A.Kh. et al. [Creation of small-sized auto-tractor turbochargers at OJSC KamAZ]. [Proceedings of the anniversary scientifi c and practical conference “Prospects for the development of vehicles and engines in the Republic of Tatarstan”]. Naberezhnye Chelny, KamAZ Publ., 1999, pp. 95–101. (In Russian)Валеев Д.Х., Кадышев В.Г., Лущеко В.А. Тепловой расчёт поршневых двигателей в программном обеспечении AVL BOOST: учебное пособие. – Набережные Челны: Изд-во НЧИ КФУ, 2019. – 157 с.Valeev D.Kh., Kadyshev V.G., Lushcheko V.A. [Thermal Calculation of Reciprocating Engines in AVL BOOST Software: Tutorial]. Naberezhnye Chelny, NChI KFU Publ., 2019. 157 p. (In Russian)Локай В.И., Максутова М.К., Стрункин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов: Теория, конструкция и расчёт: Учебник для втузов / 3-е изд. перераб и доп. – М.: Машиностроение, 1979. – 447 с., ил.Lokay V.I., Maksutova M.K., Strunkin V.A. [Aircraft Gas Turbines: Theory, Design and Calculation: Textbook for Higher Educational Institutions]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979. 447 p. (In Russian)Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчёт центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. – М.: Машиностроение, 1974. – 228 с.Mitrokhin V.T. [Selection of parameters and calculation of a centripetal turbine in stationary and transient modes]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1974. 228 p. (In Russian)Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. – М.: Машиностроение, 1976. – 208 с.Sherstyuk A.N., Zaryankin A.E. [Radial-axial turbines of small power]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976. 208 p. (In Russian)Симсон А.Э., Каминский В.Н., Моргулис Ю.Б., Поветкин Г.М., Азбель А.Б., Кочетов В.А. Турбонаддув высокооборотных дизелей. – М.: Машиностроение, 1976. – 288 с.Simson A.E., Kaminskiy V.N., Morgulis Yu.B., Povetkin G.M., Azbel’ A.B., Kochetov V.A. [Turbocharging of high-speed diesel engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1976. 288 p. (In Russian)Бекнев В.С., Михальцев В.Е., Шабаров А.Б., Янсон Р.А. Турбомашины и МГД-генераторы газотурбинных и комбинированных установок: Учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальности «Турбостроение». – М.: Машиностроение, 1983. – 392 с., ил.Beknev V.S., Mikhal’tsev V.E., Shabarov A.B., Yanson R.A. [Turbomachines and MHD generators of gas turbine and combined units: Proc. manual for students studying in the specialty “Turbobuilding”]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1983. 392 p. (In Russian)Хорлокк Дж.Х. Осевые турбины / Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1972. – 208 с.Khorlokk Dzh.Kh. [Axial turbines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1972. 208 p. (In Russian)Мидзумати Н. Исследование радиальных газовых турбин. – М.: Машгиз: Всесоюз. ин-т науч. и техн. информации, 1961. – 120 с., ил.Midzumati N. [Study of radial gas turbines]. Moscow, Mashgiz Publ.,1961. 120 p. (In Russian)Аэродинамика турбин и компрессоров / Под ред. У. Р. Хауторна; Перевод с англ. В.Л. Самсонова [и др.]; под ред. кандидатов техн. наук В.С. Бекнева и В.Т. Митрохина. – М.: Машиностроение, 1968. – 742 с.: ил.[Aerodynamics of turbines and compressors. Ed. by Hawthorne W.R. Transl. from English. Samsonova V.L. et al. Ed. by Beknev V.S. and Mitrokhin V.T]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1968. 742 p. (In Russian)Лашко В.А., Пассар А.В. Расчёт коэффициента потерь кинетической энергии в проточной части турбины как одна из проблем реализации комплексного подхода // Вестник ТОГУ. Серия: Машиностроение и машиноведение. – 2011. – № 1 (20). – С. 79–90.Lashko V.A., Passar A.V. [Calculation of the kinetic energy loss factor in the turbine fl ow part as one of the problems of implementing an integrated approach]. Vestnik TOGU. Seriya: Mashinostroenie i mashinovedenie, 2011, no. 1 (20), pp. 79–90. (In Russian)Матвеев В.Н., Белоусов Е.Ю., Малышев А.В. Исследование возможности снижения густоты сопловой решётки парциальной центростремительной микротурбины // Вестник Самарского национального исследовательского университета им. С.П. Королёва. Серия: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. – 1998. – С. 56–59.Matveev V.N., Belousov E.Yu., Malyshev A.V. [Investigation of the possibility of reducing the density of the nozzle array of a partial centripetal microturbine]. Vestnik Samarskogo natsional’nogo issledovatel’skogo universiteta im. S.P. Koroleva. Seriya: Problemy i perspektivy razvitiya dvigatelestroeniya, 1998, pp. 56–59. (In Russian)Дейч М.Е., Филиппов Г.А., Лазарев Л.Я. Атлас профилей решёток осевых турбин: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Турбостроение». – М.: Машиностроение, 1965. – 96 с.Deych M.E., Filippov G.A., Lazarev L.Ya. [Atlas of profi les of lattices of axial turbines: Textbook for students of higher educational institutions studying in the specialty “Turbobuilding”]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1965, 96 p. (In Russian)Селезнёв К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчёт турбокомпрессоров. – Л.: Машиностроение, 1968. – 408 с., ил.Seleznev K.P., Podobuev Yu.S., Anisimov S.A. [Theory and calculation of turbochargers]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1968. 408 p. (In Russian)Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.: ил.Khanin N.S., Aboltin E.V., Lyamtsev B.F. et al. [Turbocharged vehicle engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1991. 336 p. (In Russian)FIRE. Theory. AVL List GmbH Graz. – Austria, 2020.FIRE. Theory. AVL List GmbH Graz. Austria, 2020.Кавтарадзе Р.З., Онищенко Д.О., Зеленцов А.А. Трёхмерное моделирование нестационарных тепло- физических процессов в поршневых двигателях: учебное пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 85 с.Kavtaradze R.Z., Onishchenko D.O., Zelentsov A.A. [Three-dimensional modeling of non- stationary thermophysical processes in reciprocating engines: a tutorial]. Moscow, BSTU Publ., 2012. 85 p. (In Russian)Hanjalic K., Popovac M., Handziabdic H. A Robust ner-wall elliptic-relaxation eddy-viscosity turbulence model for CFD // Int. J. of Heat and Fluid Flow. – 2004. – V. 25. – P. 1048–1051.Hanjalic K., Popovac M., Handziabdic H. A Robust ner-wall elliptic-relaxation eddy-viscosity turbulence model for CFD. Int. J. of Heat and Fluid Flow, 2004, vol. 25, pp. 1048–1051.Durbin P.A. Near-wall turbulence closure modeling without “damping functions” // Theor. Comput. Fluid Dyn. – 1991. – No. 3. – P. 1–13.Durbin P.A. Near-wall turbulence closure modeling without “damping functions”. Theor. Comput. Fluid Dyn., 1991, no. 3, pp. 1–13.

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