Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Разработка расчетно-экспериментальной методики исследования теплонапряженности авиационного дизельного двигателя

05.07.05 - Тепловые электроракетные двигатели и

энергоустановки летательных аппаратов

кандидата технических наук

Кучин Владимир Васильевич

Рыбинск, 2007

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования “Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева”.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Пиралишвили Шота Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Яманин Александр Иванович

кандидат технических наук, доцент Жуков Владимир Анатольевич

Ведущая организация: ОАО “Тутаевский моторный завод”

Защита состоится 12 ноября 2007 года в 10⁰⁰ часов

на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева».

Автореферат разослан «_11_»_октября_2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета Конюхов Б. М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Авиационные поршневые двигателя (ПД) успешно доминируют в малой авиации в классе мощности до 350 кВт. В настоящее время стремительно развивается новое направление боевой авиации - беспилотные летательные аппараты (БПЛА), для которых требуются двигатели небольшой мощности. Авиационные ПД могут быть конкурентоспособными с газотурбинными двигателями (ГТД) в классе мощности до 700 кВт для дозвуковых БПЛА, но для этого требуется значительно повысить параметры рабочего процесса по сравнению с существующими ПД. Бензиновые двигатели достигли предела форсирования, дальнейший рост параметров ограничивают свойства бензина, не позволяющие повышать давление и температуру рабочего тела в конце сжатия. Этого недостатка лишены дизельные двигатели.

Создатели авиационных дизелей за счет высокого наддува достигли параметров, не уступающих бензиновым двигателям. При этом пришлось решить проблему возрастающей теплонапряженности деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Дальнейшее повышение мощности ограничивало заклинивание поршня в гильзе цилиндра.

Оптимизация конструкции ЦПГ не имеет достаточной расчетной поддержки. Имеющиеся универсальные программные комплексы на базе метода конечных элементов (МКЭ), требуют знания на поверхностях деталей граничных условий (ГУ) по теплообмену. Для расчета мгновенного коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками камеры сгорания (КС) существует ряд б-формул. Их непосредственное использование приводит к значительной погрешности при сравнении с экспериментальными данными и не позволяет с достаточной точностью прогнозировать тепловое состояние на более высоких параметрах, какими должен обладать перспективный авиационный ПД. Это требует корректировки известных формул, а следовательно необходимо знание мгновенных значений давления, температуры и объема рабочего тела в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала (КВ).

Анализ работ, выполненных в исследуемой области, показал, что разработка расчетно-экспериментальной методики для исследования теплонапряженности деталей ЦПГ представляется весьма актуальной при создании авиационного дизеля с высоким уровнем турбонаддува.

Цель работы. Разработка методики оценки теплонапряженности деталей поршневого авиационного двигателя, позволяющей рассчитать локальные коэффициенты теплоотдачи в цилиндре при существенном форсировании рабочего процесса, что необходимо для расчета распределения температуры в деталях и оптимизации конструкции по деформациям и механическим напряжениям.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Разработана расчетная программа, позволяющая обрабатывать экспериментальные индикаторные диаграммы с учетом неадиабатности рабочего процесса двигателя.

2. Выполнены экспериментальные исследования теплового состояния деталей и процесса тепловыделения в цилиндре двигателя.

3. Выполнена корректировка уравнения для расчета мгновенного коэффициента теплоотдачи, позволившая добиться адекватного совпадения расчетных и экспериментальных данных по тепловому состоянию деталей и тепловому балансу двигателя.

4. Проведено моделирование процессов теплообмена в цилиндре двигателя.

5. Выполнена оценка теплового состояния деталей ЦПГ на режимах пока, еще экспериментально не достигнутых.

Основные положения, выносимые на защиту:

- впервые разработана расчетная программа для обработки экспериментальных индикаторных диаграмм с учетом неадиабатности рабочего процесса;

- проведено экспериментальное исследование теплового состояния деталей и параметров тепловыделения в дизеле на высоких частотах вращения КВ n=3700 мин^-1;

- осуществлена корректировка известной б-формулы для конкретного типа двигателя, позволившая повысить точность оценки теплового состояния деталей на 5 %;

- выполнено прогнозное расчетное моделирование теплонапряженности деталей ЦПГ на режимах, значительно превышающих экспериментально достигнутые.

Общая методика исследований. Поставленные задачи решались численно с использованием современных методов расчета на базе МКЭ, и экспериментальными исследованиями, выполненными на стандартных испытательных стендах с применением современных приборов и оборудования.

Научная новизна. Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки теплового состояния деталей при создании нового поколения высокофорсированных поршневых двигателей, заключающаяся в расчетном моделировании локальных коэффициентов теплоотдачи в цилиндре двигателя с помощью уравнения, скорректированного для конкретного типа двигателя по результатам индицирования рабочего процесса.

Практическая ценность. Методика позволяет определить локальные ГУ по теплообмену в КС поршневого двигателя на режимах испытаний, а также прогнозировать ГУ на режимах двигателя, еще не достигнутых экспериментально, для последующей оптимизации конструкции.

Реализация результатов работы. Методика расчетно-экспериментальных исследований теплонапряженности поршневого двигателя прошла проверку при создании высокофорсированных дизелей в ОАО «НПО «Сатурн»:

- опытного авиационного двухтактного дизельного двигателя ДН200 мощностью 147 кВт;

- при форсировании транспортного четырехтактного дизеля Д65 с 48 до 77 кВт.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

- в Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева на кафедре «Общая и техническая физика»;

- в Ярославском государственном техническом университете на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания»;

- на всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика технологических процессов», Рыбинск, 2005 г.;

- на международной конференции «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005 г.;

- на третьей научно- практической конференция «Исследование и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва, «ОКБ Сухого», 2005 г. Диплом за лучший доклад на секции двигателей;

- на четвертой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, МЭИ, 2006 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 4 печатные работы, 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК: «Инженерный журнал. Справочник», получено 2 патента РФ на изобретения (без соавторов).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 98 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 31 таблицы, 115 наименований литературы.

Основное содержание работы

Во введении представлено сравнение дизельного двигателя с другими типами двигателей, его преимущества и недостатки, главные проблемы.

Дальнейший рост показателей ПД возможен благодаря применению турбонаддува с промежуточным охлаждением воздуха. Экспериментальные работы показали возможность достижения давлений наддува до 1,0 МПа. Однако резкое возрастание тепловой напряженности деталей ЦПГ не позволило обеспечить надежность конструкции. Таким образом, решение проблемы тепловой напряженности деталей ЦПГ является главным условием при создании современного авиационного дизеля, способного превзойти показатели бензиновых двигателей и расширить область применения поршневой авиации. Таким образом, обоснована актуальность темы диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены основные направления развития поршневых авиационных двигателей. Показаны основные проблемы, связанные с совершенствованием двигателей при повышении их удельных параметров. Показаны особенности нового поколения авиационных поршневых двигателей. Раскрыты методы и направления исследования теплообмена в камере сгорания двигателя на достигнутом экспериментально уровне мощностей и возможности прогнозирования теплового состояния деталей на мощностях, значительно превышающих достигнутый уровень.

В настоящее время продолжаются попытки создания авиационного дизельного двигателя (табл. 1) в надежде не только увеличить дальность полета, но и превзойти бензиновые по удельным параметрам.

Одним из основных требований, предъявляемых к авиационному двигателю, является минимальный удельный вес, т.е. отношение веса к мощности:

, Н/кВт. (1)

Таблица 1. Параметры современных авиационных дизельных двигателей

Примечание: N _e - эффективная мощность двигателя, кВт; n - частота вращения коленчатого вала, мин^-1; N _л - литровая мощность двигателя, кВт/л; г - удельный вес двигателя, Н/кВт; Р_к - давление наддува, МПа; Р_е - среднее эффективное давление, МПа; D/S - диаметр и ход поршня, мм

Лучшие двигатели имеют удельный вес порядка 5,5 Н/кВт, а проект комбинированного ТРДД-Дизель фирмы Гэррит предполагает удельный вес на уровне ГТД г =1,87 Н/кВт.

Современный опыт показывает, что главным препятствием повышения мощности является недопустимое повышение температуры поршня, приводящее к его заклиниванию. Исследование теплового состояния деталей двигателя сводится к определению ГУ по теплообмену и зависимости их от параметров рабочего процесса. Существует целый ряд полуэмпирических б-формул для расчета коэффициентов теплоотдачи, которые вместе с температурой рабочего тела определяют ГУ по теплообмену 3 рода. Для расчета температуры деталей необходимо выбрать формулу, наиболее подходящую для данного типа двигателя, это можно выполнить только сравнивая результаты расчета с экспериментом. В случае авиационного дизельного двигателя, параметры рабочего процесса которого существенно отличаются от двигателей, для которых были получены существующие формулы, потребуется их дополнительная корректировка. Наиболее близкие результаты к эксперименту показала формула Вошни, которая затем была уточнена подбором постоянных коэффициентов для конкретного двигателя:

(2)

где б - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² К); G -постоянный коэффициент;

D - диаметр поршня, мм; Р - давление газа в цилиндре, МПа; Т - температура газа в цилиндре, К; W - скорость рабочего тела, м/с.

Мгновенные значения давления и объема V определяются экспериментально при индицировании рабочего процесса, температура рассчитывается по уравнению Менделеева-Клапейрона:

РV=mRT (3)

Существующие методы позволяют определить характеристики тепловыделения с учетом той части сгоревшего топлива, которое пошло на увеличение энергии рабочего тела, а теплота отведенная через стенки КС определяется за весь рабочий цикл двигателя. Для верификации б-формулы требуется знание мгновенных тепловых потоков в деталях, это позволит составить мгновенный тепловой баланс двигателя и определить точность расчета.

Согласно первому закону термодинамики для открытой термодинамической системы уравнение сохранения энергии имеет вид:

(4)

где dQ - количество теплоты, идущей на изменение внутренней энергии, которое равно разности между тепловыделением dQ_x и теплоотдачей по стенкам dQ_w , т. е. ; dL - элементарная работа расширения термодинамической системы (рабочего тела), .

Используя уравнения (2, 3, 4) можно решить две различные задачи:

- определить изменение давления при известных законах тепловыделения и теплообмена;

- определить характеристику тепловыделения при известных законах изменения давления и теплообмена по углу поворота КВ.

В обоих случаях необходимо знать закон теплообмена. Для его определения предлагается использовать известную программу на базе МКЭ в одномерной постановке задачи (разработанную в МГТУ имени Н. Э. Баумана под руководством Н. А. Иващенко), позволяющую рассчитать параметры рабочего процесса и теплового состояния деталей с учетом неадиабатности. Для обработки экспериментальных индикаторных диаграмм необходимо решить обратную задачу тепловыделения, что потребовало доработки программы. Данный метод позволил значительно повысить точность определения ГУ и достоверность прогноза теплового состояния деталей. На основании выполненного в 1 главе анализа сформулирована цель работы и задачи для ее решения.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям теплонапряженности деталей ЦПГ. На ОАО «НПО «Сатурн» предпринята попытка создания авиационного поршневого дизельного двигателя ДН200. Двигатель 2-тактный, выполнен по схеме с противоположно движущимися поршнями (ПДП), имеет три цилиндра размерностью D/S=70/2х72. Наддув (Р_к = 0,34 МПа) осуществляется по схеме ТКР плюс нагнетатель «Рута», без охлаждения наддувочного воздуха. Основные данные двигателя ДН200 представлены в табл. 2. Дополнительно для отработки и верификации методики исследования теплонапряженности деталей использованы экспериментальные данные, полученные при форсировании 4-тактного транспортного дизеля Д65Н (табл. 3) при форсировании его с мощности 50 до 77 кВт за счет применения турбонаддува. В работе для измерения температуры гильзы цилиндра использованы хромель-капелевые термопары (12 штук на цилиндр), для поршня - датчики ИМТК (40 штук на поршень). Изменение давления рабочего тела в цилиндре исследовалось измерительным комплексом AVL 647. При термометрировании на крейсерском режиме дизеля ДН200 максимальная температура головки поршня составила 420 °С, в канавке поршневого кольца - 350 °С , юбки поршня - 200 °С, на днище поршня, омываемого охлаждающим маслом, - 370 °С. Все эти значения находятся на пределе допустимого. Дальнейшее повышение мощности приводило к заклиниванию поршня. Для исследования влияния мощности двигателя на тепловое состояние деталей были выполнены испытания на режимах нагрузочных характеристик при n=3700 мин^-1 для ДН200 и при n=1300; 1500; 1800 и 2000 мин^-1 для Д65Н. Полученные расчетные значения ГУ по теплообмену для обоих двигателей дали значительную погрешность при расчете теплового состояния деталей в сравнении с экспериментом. Это указывает на необходимость корректировки существующих б-формул в случае существенного форсирования двигателя.

Таблица 2. Показатели авиационного турбодизеля ДН200

Таблица 3. Показатели дизеля Д65Н

Третья глава посвящена описанию расчетной программы, которая позволяет рассчитать мгновенные коэффициенты теплоотдачи на поверхностях гильзы и поршня с учетом неадиабатности рабочего процесса. Программа основана на МКЭ, расчет выполняется в одномерной осесимметричной стационарной постановке задачи. Исходными данными являются конечно-элементная модель конкретного двигателя и его экспериментальная индикаторная диаграмма. Расчет с учетом тепловых потоков в деталях позволяет определить более точно характеристики тепловыделения в отличие от существующих программ обработки индикаторных диаграмм, которые определяют их качественное протекание, т. к. не учитывают мгновенный тепловой поток в стенки КС.

Для обеспечения возможности решения обратной задачи тепловыделения существующая программа была доработана. На рис. 1 представлена укрупненная блок-схема доработанной подпрограммы NKI, в которой производится расчет параметров рабочего процесса. Сложность программирования заключалась в обеспечении сходимости процесса счета. С этой целью процесс счета организован поэтапно, сначала решается обычная прямая задача тепловыделения, а затем после стабилизации решения по тепловому состоянию деталей запускается итерационный процесс с подбором количества топлива, обеспечивающего получение измеренного значения давления рабочего тела при каждом угле поворота КВ.

Такой подход при поиске решения обратной задачи позволил обойтись без сложного алгоритма, максимально используя уже имеющийся в программе математический аппарат.

Рис. 1. Блок-схема подпрограммы NKI

Четвертая глава посвящена практическому применению расчетно-экспериментальной методики исследования тепловой напряженности деталей ЦПГ с использованием разработанной расчетной программы. Расчетная конечно-элементная модель двигателя ДН200 представлена на рис. 2. Наиболее полные расчетно-экспериментальные исследования выполнены на транспортном дизеле Д65Н при форсировании его с мощности 50 до 77 кВт за счет применения турбонаддува.

Экспериментальные индикаторные диаграммы обработаны с учетом неадиабатности процесса и решением обратной задачи тепловыделения. Использование существующих б-формул показало, что наименьшую погрешность имеет формула Вошни. Подбором постоянного коэффициента G в формуле удалось получить достаточное совпадение расчетных и экспериментальных значений температуры деталей (рис. 3).

Рис. 2. Конструкция и конечно-элементная модель ЦПГ двигателя ДН200

Рис. 3. Расчетное и экспериментальное тепловое состояние дизеля Д65Н: а) гильзы, б) поршня

Погрешность расчета, определенная путем сравнения расчетного и экспериментального расхода топлива, составила порядка 2 % (рис. 4). Это указывает на достаточную точность моделирования процессов теплообмена в двигателе. Как показали результаты расчетов, основная доля теплоты отводится от рабочего тела в фазе сгорания топлива - порядка 80 % от общего отведенного количества, что подтверждает необходимость более точного моделирования процессов тепловыделения и теплообмена в этой фазе процесса.

Расчетно-экспериментальные исследования с использованием разработанной методики позволили скорректировать постоянные коэффициенты в формуле Вошни для конкретных двигателей: для ДН200 - G=105; для Д65Н - G=90. Полученные значения коэффициента G несколько отличаются от рекомендуемых G=110-145. В результате выполненных расчетно-экспериментальных исследований с использованием разработанной методики получены ГУ по теплообмену на поверхности деталей ЦПГ, наиболее точно соответствующие реальным процессам тепловыделения и теплообмена в КС поршневого двигателя.

Рис. 4. Расчетный и экспериментальный расход топлива дизеля Д65Н на режимах нагрузочной характеристики при n=2000 мин^-1

Основные результаты и выводы

1. Анализ параметров современных авиационных дизельных двигателей показал, что их конкурентоспособность связана с существенным повышением мощности, которое ведет к повышению теплонапряженности деталей. Для обоснованного выбора конструкторских решений на стадии проектирования требуется расчетное моделирование теплового состояния деталей ЦПГ. Разработанная методика позволяет определять ГУ по теплообмену, которые могут быть использованы для дальнейшей оптимизации конструкции в универсальных программах МКЭ.

2. Впервые разработана расчетная программа, позволяющая обрабатывать экспериментальные индикаторные диаграммы с учетом неадиабатности рабочего процесса, что позволило при испытаниях двигателя определить не только параметры тепловыделения, но и параметры мгновенного теплообмена от рабочего тела в стенки КС.

3. Выполнено экспериментальные исследования теплонапряженности деталей ЦПГ и тепловыделения при сгорании топлива в КС дизельных двигателей во всей диапазоне рабочих режимов, в том числе на высоких частотах вращения n=3700 мин -¹.

4. Разработанная методика, позволяет на основе результатов индицирования рабочего процесса и термометрирования деталей выбрать из существующих б-формул наиболее подходящую для данного типа двигателя и скорректировать ее для еще более точного совпадения расчетных и экспериментальных данных.

5. Показано, что формула Вошни дает хорошую сходимость расчета и эксперимента для 2-тактного авиационного дизельного двигателя и транспортного дизеля с КС типа ЦНИДИ. Точность расчета составила: температуры поршня - 20 °С, гильзы цилиндра - 5 °С, тепловых потоков в деталях - 2 % от расхода топлива.

6. Моделирование режимов еще не достигнутых экспериментально показало, что для достижения заявленных параметров взлетного режима авиационного дизеля требуется изменение конструкции поршня, теплонапряженность деталей ЦПГ дизеля Д65Н позволяет дальнейшее форсирование без изменения конструкции.

теплообмен цилиндр двигатель неадиабатность

Основные положения диссертации отражены в следующих работах

1. Кучин, В. В. Определение параметров теплообмена в цилиндре ДВС [Текст] / В. В. Кучин // Справочник. Инженерный журнал. - 2007. - № 8.

2. Кучин, В. В. Моделирование теплового состояния деталей авиационного поршневого дизельного двигателя [Текст] / В. В. Кучин // Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности: статьи и материалы 3 научно-практической конференции. - М.: ОАО «ОКБ Сухого». - 2005.- С. 179.

3 Кучин, В. В. Методология исследования теплонапряженности деталей ЦПГ авиационного турбодизеля [Текст] / В. В. Кучин // Теплофизика технологических процессов: материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Рыбинск: РГАТА. - 2005. - С. 256.

4. Кучин, В. В. Метод расчета коэффициентов теплоотдачи в камере сгорания поршневого двигателя [Текст] / В. В. Кучин, Ш. А. Пиралишвили // Радиационный и сложный теплообмен. Теплопроводность, теплоизоляция Т.7.: труды Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену. В 8 томах. - М.: Издательский дом МЭИ. - 2006. - С. 268 - 271.

5. Пиралишвили, Ш. А. Исследование теплонапряженности деталей ЦПГ авиационного турбодизеля [Текст] / Ш. А. Пиралишвили, В. В. Кучин // Образование через науку: тезисы докладов международной конференции. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, - 2005. - С. 400.

6. Патент 2028484 Российская Федерация, 6F02F 1/10. Рубашка жидкостного охлаждения [Текст] / Кучин В. В., заявитель и патентообладатель ОАО «НПО «Сатурн».- №2028484; заявл. 12.02.1991; опубл. 09.02.1995, Бюл. № 4.- С. 169.

7. Патент 2036323 Российская Федерация, 6F02В 75/26. Поршневая машина [Текст] / Кучин В. В., заявитель и патентообладатель ОАО «НПО «Сатурн». - №2036323; заявл. 23.04.1990; опубл. 27.05.1995 , Бюл. № 15. - С. 177.

Размещено на Allbest.ru