Турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом: газодинамический расчёт, 3D-моделирование, CFD-анализ, характеристики

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.

1. Румянцев В.В., Тиунов С.В., Биктимиров Р.Л. Регулирование турбокомпрессоров автотракторных двигателей: Монографическое исследование. – Набережные Челны: Камская государственная инженерно- экономическая академия, 2010. – 212 с.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчёт центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. – М.: Машиностроение, 1974. – 228 с.

9. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. – М.: Машиностроение, 1976. – 208 с.

10. 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.

11. 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.

12. Хорлокк Дж.Х. Осевые турбины / Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1972. – 208 с.

13. Мидзумати Н. Исследование радиальных газовых турбин. – М.: Машгиз: Всесоюз. ин-т науч. и техн. информации, 1961. – 120 с., ил.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Селезнёв К.П., Подобуев Ю.С., Анисимов С.А. Теория и расчёт турбокомпрессоров. – Л.: Машиностроение, 1968. – 408 с., ил.

19. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. – М.: Машиностроение, 1991. – 336 с.: ил.

20. FIRE. Theory. AVL List GmbH Graz. – Austria, 2020.

21. 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.

22. 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.

23. Durbin P.A. Near-wall turbulence closure modeling without “damping functions” // Theor. Comput. Fluid Dyn. – 1991. – No. 3. – P. 1–13.