Теория и расчет газодинамических процессов в быстроходном 2-х тактном турбопоршневом двигателе Березин Сергей Романович

Теория и расчет газодинамических процессов в быстроходном 2-х тактном турбопоршневом двигателе Березин Сергей Романович

Практика конструирования и доводки высокофорсированных % быстроходных ТЦД требует глубокого проникновения в суть рабо—І чего процесса.

Особую сложность, как отмечают многие исследователи,представляет собой доводка рабочего процесса 2-х тактного двигателя. Именно в этом типе двигателя качестве смесеобразования и сгорания напрямую связаны с процессом газообмена. Осуществляемая в 2-х тактном двигателе с ГЩП прямоточная продувка обеспечивает не только хорошую очистку цилиндра от отработавших газов,но и одновременно создает высоко • турбулизированное закрученное движение,необходимое для качественного смесеобразования и сгорания топлива Эффективным методом получения информации о протекании быстро протекающих газодинамических процессов является математическое моделирование. Настоящая работа,в значительной мере,посвящена проблеме создания аппарата математического численного моделирова щ ния рабочего процесса дизеля. Этот аппарат основывается, в общем случае, на модели пространственного нестационарного турбулентного движения газокапелъной среды с физико-химическими превращениями.

Кроме этой проблемы в диссертации рассметрена также проблема обобщения экспериментальных ж расчетных данных о газообмене в 2-х тактном двигателе.

Структурно диссертация состоит из семи глав.

В 1-ой вводной главе анализируются особенности протекания рабочего процесса в 2-х тактном двигателе,проводится обзор работ по исследованию газообмена и турбулентности в даш ателе,формируются цели и задачи исследования. Во 2-ой главе приведены математические модели течения в элементах газовоздушного тракта,описаны алгоритмы их реализации на ЭВМ. В 3-ей главе приведено описание универсального программного комплекса «Газодинамика ТПД», 4-я глава посвящена экспериментальным исследованиям,проведенным с участи ем автора,на модельных установках и на двигателях. В 5-ой главе решается задача проверки адекватности математической модели путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных. В 6-ой главе созданный программно-методический аппарат применен для расчета и анализа газообмена вновь разрабатываемого форсированного 2-х тактного двигателя. 7-ая глава посвящена установлению критериаль ных взаимосвязей при газообмене 2-х тактного двигателя.

Диссертация была начата в Московском Высшем Техническом Училище им. Н.Э. Баумана,продолжена и закончена в Центральном Институте Авиационного Моторостроения им. п.Й. Баранова. В работе нашли отражение работы автора,сделанные в процессе разработки нового форсированного авиационного дизнля ДН-200 конструкции

А.С. Новикова (Рыбинское конструкторское бюро моторостроения).

На формирование основных идей,заложенных в диссертационной работе оказали плодотворное влияние д.т.н.,проф.Б.П. Рудой,д.т.н. проф. М.г. Круглов (ГКНТ), к.т.н. Ю.А. Гришин (МВТУ), к,т.н. Л.С. Ронинсон (НИИД), к.т.н. Е.М, Иткис (ВгПЮ. Всем указанным господам автор выражает искреннюю благодарность.

-7 Основные условные обозначения и сокращения

ЩІ — противоположно движущиеся поршни;

ТПД — турбопоршневой двигатель;

ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

ПКВ — поворот коленчатого вала;

ВСЮ — верхняя объемная мертвая точка;

ЕМГ,НИГ — верхняя и нижняя мертвые лючки; ГВТ — газовоздушный тракт;

ИГР — распад произвольного разрыва;

9 у — коэффициент наполнения;

Оу — коэффициент наполнения,отнесенный к полезно используемому рабочему объему;

Т — коэффициент продувки; угол ШШ,град; угловая координата; § — коэффициенты избытка продувочного воздуха,отнесенные к параметрам на впуске или к параметрам окружающей среда;

Тз — фазный угол отставания впускного поршня от выпускного (угол заклинки); К,ТКЭ — турбулентная кинетическая энергия,w1/

Нижние индексы — «В»-вшуск; » $ » — впуск; «»- турбулентный; «Ц» — цилиндр; » К п — параметры на впуске; fc-«- параметры на выпуске; » Г » — тангенциальный; «О» — осевой; «в » — параметры сгорания; «о» — относящийся к начальной точке. Верхние индексы — «н» — нестационарно заторможенный .

Особенности протекания рабочего процесса в 2-х тактяом двигателе с ІЩІ , .

Среди двухтактных дизелей схема с ІВДІ занимает особое место. Этот двигатель выгодно отличается высокой удельной мощностью,малыми габаритными размерами и массой,хорошей уравновешенностью,высоким качеством протекания рабочего процесса и соответственно высоким эффективным КПД. В двигателе нет таких теплонапряженных деталей как головка цилиндра и выпускной клапан с громоздким газораспределительным.механизмом, отсутствует газовый стык между цилиндром и головкой.

Указанные достоинства обусловили широкое применение схемы ЦДД. Основной недостаток схемы ЦДД заключается в очень тяжелых условиях работы выпускного поршня, кромка которого при выпуске омывается горячими выпускными газами. Это требует специальных конструктивных мероприятий по защите поршня.

Другой недостаток схемы с ЦДД заключается в наличии двух коленчатых валов и в применении сложной кинематической связи между ними. Имелись попытки смягчения указанного недостатка путем размещения коленчатых валов в углах ромба или треугольника, однако в этом случае осложняется эксплуатационный осмотр и монтаж форсунок.затрудняется разборка двигателя. Поэтому такие конструктивные решения не нашли широкого применения.

Протекание газообмена в двигателе с ІЩІ требует относительного смещения диаграмм открытия впускных и выпускных окон,измеряемого углом заклинки % -8..Д5 .. Этим достига-ется уменьшенное давление в цилиндре в момент открытия выпускного окна и уменьшается заброс газов во впускную коробку. Положительная роль угла заклинки также заключается в том,что в процессе сжатия поршни достигают своей БМТ неодновременно, и поэтому расстояние между поршнями вблизи ВОМТ изменяется мало. Это обстоятельство благоприятно с точки зрения организации процесса для быстроходного дизеля.поснольну горение происходит при практически постоянном объеме камеры в течение фазы,равной углу заклинки. Однако,с другой стороны,введение угла заклинки приврдит к ухудшению уравновешенности двигателя, а также к тому,что с коленчатого вала.управляющего выпускными поршнями,снимается приблизительно вдвое большая мощность,чем с коленвала впускного поршня. Стремление получить более равномерную нагрузку на валы привело к созданию конструкции двигателя с разными диаметрами поршней. Однако наличие «ступеньки» приводит к возникновению концентрации напряжений в наиболее теплонапряженной области камеры сгорания, что ограничивает возможность такой конструктивной схемы.

Как и всякий двухтактный двигатель с принудительной продувкой двигатель с ОДІ очень чувствителен к перепаду давления на впуске и на выпуске. Эта особенность двигателя должна учитываться при согласовании его совместной работы с агрегатами наддува. На частичных режимах и при большом коэффициенте избытка воздуха в цилиндре температура выпускных газов невысока ,и мощности турбины бывает недостаточно для привода связанного с ней компрессора. Поэтому часто в турбопоршневом двигателей по схеме ВДП используют механическую связь турбокомпрессора с коленчатым валом или в схеме со свободным турбокомпрессором вводят дополнительный нагнетатель.

Важная черта.которая выделяет это тип двухтактного двигателя среди других типов,заключается в том,что осуществляемая в двигателе прямоточная продувка через эксцентрично направленные впускные окна обеспечивает не только хорошую очистку цилиндра от отработавших газов,но и одновременно создает высокотурбулкзированноо закрученное движение,необходимое для качественного смесеобразования и сгорания топлива. Качество очистки цилиндра в схеме с ЩП достаточно высоко и приближается к качеству очистки у четырехтактных двигателей. Так,коэффициент остаточных газов обычно составляет Jfa = 0,04. 0,10 и коэффициент наполнения,вычисленный по объему начала сжатия,достигает =0,9. 0,92.

Показателе газообмена в двигателе с ЦДЦ при работе на различных нагрузках и частотах вращения изменяются в значительно более широком диапазоне , чем у четырехтактных двигателей. Одновременно с показателями газообмена изменяются и параметры,определяющие качество смесеобразования и сгорания: вихревое отношение и интенсивность турбулентности зарада, связи с этим большой практический интерес представляет исследование турбулентной структуры заряда в цилиндре при продувке, установление взаимосвязи меаду показателями газообмена с одной стороны и конструктивными и режимными параметрами двигателя-с другой стороны.

мерное нестационарное турбулентное течение в цилиндре 2-х тактяого двигателя с ВДІ

Процесс газообмена в турбопоршневом двигателе в общем случае представляет собой внутреннеее нестационарное турбулентное течение газа,сопровождающееся рядом диссипативных явлений. Те- чение в цилиндре двигателя необходимо всегда рассматривать как двух или трехмерное,течение же во впускной и в выпускной системах почти всегда можно принимать как одномерное.

Система впуска и выпуска состоят из участников трубопроводов, соединенных между собой посредством местных сопротивлений,как, например,диафрагма,скачок сечения,разветвление,клапан. К местным, сопротивлениям можно также условно отнести турбину и компрессор турбопоршневого двигателя.

При математическом моделировании одномерного течения газа в трубопроводе, а также пространственного течения в цилиндре, необходимо задать граничные условия по краям рассматриваемой области. Эти условия находятся во взаимосвязи между собой на стыках разных трубопроводов или цилиндра и трубопровода,т.е. в местах расположения местных сопротивлений ГВТ. Сопряжение параметров на границах должно проводиться для каждого момента времени с учетом основных законов сохранени1:масск,;импульса и энергии.

Таким образом,математическая модель течения газа в двигателе складывается из моделей нестационарного течения газа на протяженных участках трубопроводов,пространственного течения в цилиндре и удовлетворения условий сопряжения на местных сопротивлениях,расположенных на стыках смежных областей.

В период газообмена в цилиндре наблюдается нестационарное турбулизированное течение воздуха и отработанных газов, которые можно рассматривать как термодинамически идеальные пелитрепный газ. При этом показатель адиабаты К Ср/Су для воздуха и етработашнх газов имеет соответственно значения 1,4 и 1,34. Вследствие смешения этих двух компонентов состав газа в данной ячейке характеризуется величиной относительной концентрации С » которая равна отношению массы воздуха к общей массе газа в ячейке. Газовые постоянные воздуха и отработавших газов близки между собой, поэтому они приняты одинаковыми.

Для математического описания течения удобно использовать цилиндрическую систему координат, связанную с цилиндром двигателя (рис.2.1). Здесь ось X совпадает с осью цилиндра, ось R направлена вдоль радиуса.

Линиями расчетной сетки в меридиальной плоскости рабочий объем разбивается на ячейки с размерами АХ к Л t (рис.2.1). Значения &Х и ДТ близки, но не обязательно равны между собой.

Ряд ячеек, непосредственно примыкающих к поршню, имеет . подвижную внешнюю границу. Размер этих ячеек при движении поршня в ШТ сокращается, а при движении к НМЇ увеличивается. При увеличении длины свыше ZhX, из них выделяется с внутренней стороны ряд ячеек фиксированной длины и, наоборот, при уменьшении длины ячеек менее АХ , они объединяются с со седшши па «си X фиксированными ячейками,

Гагавый поток в данной системе каардинат характеризуется тремя компонентами асредненнай скарасти Ut А, W па ееям X , Я , V сеответетвенне, едней компонентой иульеаци-енной скарасти U , адинакавай па всем трем координатам и параметрами, связанными уравнением сестеяния: давлением г , температурей Т и пле?иостью Р . Гас при этом рассматривается как ньютаножекая жидкость с коэффициентом вязкости М ., изменяющемся в пространстве и ва времени. Величини М± и U1 связаны меоду сабай и однозначно определяются с помощью модельных соотношений через два параметра турбулентности в тачке — кинетическую энергию турбулентнвстиК(ТКЭ) и скорость/ диссипации ТКЭ .

Таким образам, для описания потока в каящей ячейке расчетнага паля в координатах А -К необходимо задать восемь параметров: г ,Т, U , ,1/, , К,». Для определения платности газа Р в тачке испальзуется уравнение сестеяния.

Течение в цилиндре является нестационарным и турбулентным. Педход к расчету заключается в пастраении модели ее-редненных характеристик турбулентного течения. В статической теории турбулентнасти принимается, чта скарасть течения мажет быть представлена в виде суммы средней и пульсационней ск скоростей, причем полагается чта пульсацианная скарасть изменяется значительна быстрее по времени, чем средняя. Если в уравнениях Навье-Стакса использовать эта представление, та после осреднения па времени получим систему уравнений для распределения средних параметров потока, которые называются уравнениями Рейнольдса. В тензорной форме они имеюі івд /9/

В »тих уравнениях чденр . ., содержащий пульсации скорости, характеризует турбулентные напряжения в петеке. Обозначая компоненты пульсационной скорости в трех взаимно ортогональных направлениях через U » V , М/ , можно сос тавить тензор турбулентных напряжений.

Принципы организации комплекса

Понятие универсальности включает в себя относительную L независимость программы от ее реализации на конкретной ЭВМ. Это достигается применением языка программирования фортран 17- При существующем различии в версиях фортрана необходимо использовать только наиболее общие его языковые конструкции. Кроме того, в программе отсутствует обращение к стандартным подпрограммам, например, решения системы уравнений нелинейных уравнений. До пускается только обращение к стандартным подпрограммам,встроенным в транслятор: Л35. Si J $? и т.п.

Параметры,используемые в расчете,должны быть представлены Ф в системе СИ. Это позволяет обойтись без всякого рода переводных коэффициентов. Исключение для этого правила составило представление частоты вращения в об/мин и угла поворота коленчатого вала-в градусах.

Течение газа в пределах каждого элемента ГВТ описывается вполне определенной математической моделью, поэтому логично оформить расчет элемнта ІБТ в виде отдельного модуля. Каждый модуль представляет собой «черный ящик», в структуре которого не надо разбираться, а достаточно знать входные и выходные пара метры, описанные в его заголовке. При этом необходима следить, чтобы типы фактических и формальных параметров совпадали. Шрамет щ ры целого типа в заголовках обращения к модулям обведены кружком.

Параметры IP в каждом модуле является отладочным,пояснения, касающиеся его применения,даны в разделе 3.3.2.

Модуль предназначен для расчета нестационарного одномерного течения с теплообменом и с трением в трубопроводе постоянного или переменного сечения.

Обращение к модулю организовано в виде: где J) — идентификатор матрицы из 8 строк,содержащей распределение параметров в А/ сечениях (точках).равномерно расположенных по длине соответствующего трубопровода (рис. 3.1.), К- показатель адиабаты, ВТ — шаг по времени, ALF, — подрограммы-функции вычисления коэффициентов ALkM глип. теплоотдачи и трения в зависимости от местного числа Re в трубопроводе.

Перед обращением к модулю ( 2)МСТ) в матрице ) находится распределение параметров по длине трубопровода (рис, 3.1а). На этом рисунке параметры Р, Т, М обозначают давление,температуру и число Маха в ячейках в момент Г0 перед обращением к модулю. Знак числа Маха М выбран положительным при направлении скорости потока от 1-ой точки к Д/ -ой. Индексами L , R. помечены параметры на левом и праЕом концах трубопровода,полученные из расчета РПР на границах со смежными элементами ГВТ. Fj. P — поперечные сечешзя в трубопроводе, TCTj. Tc:r — температура стенки трубопровода на участках,

На рис. 3.16 показано состояние матрицы Х на выходе из модуля. Здесь параметры со штрихом обозначают давление,тем Модуль предназначен для расчета числа точек в матрице трубопровода й для первоначального задания параметров невозмущенного потока в матрице перед первым обращением к модулю jDC/OT.

Обращение к модулю оформлено в виде х ч где А/- число столбцов (точек) в матрицей трубопровода, подсчитывается из условия (2.II) устойчивости численного решения, ДТ- расчетный шаг по времени, Н — коэффициент запаса устойчивости. Обычно выбирают Н=1»4- 2,0, К — показатель адиабаты, Р,Т — начальные давление и температура в трубопроводе, X — двумерный массив,содержащий данные о трубопроводе. Массив имеет [_ столбцов и 3 строки. Б 1-ой строке находятся координаты длины трубопровода (начиная от нуля), во 2 ой и 3-ей строках — соответственно поперечное сечение трубопровода и температура стенки. Параметры Т,Н,К,Р,ТД, і являются входными, а 2) И № выходными. Модуль А і AM

Модуль предназначен для вычисления коэффициента трения в зависимости от местного числа Рейнольдса е в трубопроводе. Этот модуль используется внутри модуля PVC7. Обращение к модулю осуществляется при помощи оператора Данный модуль предназначен для расчета течения на стыке емкости и трубопровода,например,в клапане ДВС или на открытом конце трубопровода. Обращение к модулю шрганизовано в виде: CACL VALVE fc Г, Р, Т DM pD SI M Ь) / где К — показатель адиабаты, ДТ — расчетный шаг по времени, Р,Т — давление и температура в емкости, fl ноиер точки трубопровода,граничащей с клапаном,равен I или последнему номеру точки в матрице J) трубопровода, РД — эффективное проходное сечение Е клапане, К$/ коэффициент местного сопротивления в клапане,вычисляется внутри модуля, МТУ — чисдо Маха в наиболее узком сечении клапана, jb&- ЮЕ порции массы и полной энтальпии газа,протекающего через клапан за шаг г?Т. Направление течения газа через клапан выбирается автоматически в зависимости от соотношения параметров в емкости и в трубопроводе. Знак ВД,Д0,,ДЕ принят положительным для процесса истечения из емкости.

Цели и место экспериментальных исследований

Статическая продувка моделей проводится на стенде воздухом.подаваешм от автономного компрессора с регулируемым выходным давлением Г 88] . Замер параметров воздушного потока проводится стандартными измерительными устройствам. Схема замеров приведена на рис. 4.1. На рис. 4.2 изображена основная статическая модель. Она включает в себя цилиндр I с внутренним диаметром 70 мм, чторазмерности двигателя ДН-&00. цилиндр с одного терца закрывается крышкой 2. В вытечке цилиндра устанавливается сменный надувочный пояс 3. На оси крышки Z выполнено отверстие, в катером по резьбе передвигается шток поршня 7, перекрывающего окна. Снаружи цилиндр охватывает танкедиетная впускная коробка 4, которая двумя фланцами 5 присоединяется к воздушной магистрали. В коробке можно установить ширмы, изменяющие способ подвода воздуха к окнам. На рис.4.3. представлены исследуемые виды подвода воздуха. В среднем сечении цилиндра имеются резьбовые отверстия для установки насадков Воздух от компрессора поступает в цилиндр через мерную щайбу, рис.4.I. и/-образный патрубок прямоугольного сечения и кольцевую камеру Выход воздуха оформлен аналогично.

Целью опытов являлось определение величины С Ц/) и направления (р ) проекций вектора полней скорости воздуха на плоскости, перпендикулярные радиусу цилиндра. Измерения проводились в форсуночном поясе цилиндра Для определения Уу и h производились измерения величины и направления максимального динамического напора Следует при этом иметь в виду, что измерения указанных параметров в условиях интенсивной турбулентности, т.е. при высокой амплитуде и не«пределенных направлениях пульсацион-ннх составляющих скорости, при помощи приборов данного типа, связано с бельшимимайгематическими ошибками /107/. В исследуемых течениях такой режим характерен преимущественно для центральной зоны цилиндра ( f(= 0. 10 мм). Соетветсвенне достоверность полученных количественных результатов ж этой области ограничена.

Тангенциальная и осевая составляющие определяются разложением полной скорости: соответствует

Расхед ввздуха определялся с пемещь» мернвй диафрагмы в соответствии с дравидами /106/. = Jf V cM где: о, — коэффициент расхода, — коэффициент расширения, р — платнасть воздуха, кг/м , д Р, — перепад давления ваздуха при течении через диафрагму, мм вад,ст. J-Jj — диаметр диафрагмы, мм. Вектер скарасти воздушного детека определяется через максимальнае динамическае давление (&Р ) да фармуле: где: іп — максимальные перепад в трубке нъеземетра, м.

Дня получения значений д Р/ц х в тачке измерялась максимальнее пелнае (ft ) давление и статическое (г ) давление. Тогда: А _ р „ П Максимальнее палнае давление в цилиндре С Г/ц&у ) и угал закрутки патака ( Г ) измерялись при помощи 3-х точечного Г-абразнага насадка, рис. 4.4., укреплениега в каор-динатнам устройстве.

Так как поток ваздуха при аднастараннем надведе несимметричен, измерения проводились па всему диаметру цилиндра + в 11-ти тачках ( -33; 28j &1; 14; t7; 0 мм етнасительна аси), В каждой из указанных тачек насадак устанавливался па направлению, при катарам дастигался максимальный перепад давления в трубке даеземетра. Фиксировались f 1auy и угал устанавки насадка Тс

Статическое давление измерялась в этих же тачках, используя та же кеердннатнае устройстве. Учитывая экспериментальные и расчетные исследования [SOJ, в катарых показана, чта в средней зане цилиндра имеется высакий уравень турбуле-нтнасти патака, каторг затрудняет измерение статического давления абычным насадкам, был изгатавлен новый датчик ста» тическеге давления. Он представляет саба! насадк в виде па-лага цилиндра, Высотой A »12 мм с пятьюдесятью атверстиями 0 0,4 мм па всей даверхнэсти (Рис.4.5).

При втекании воздуха в цилиндр из отдельных «квн на начальном участке наблюдается струйное течение Струя воз-духа из окна отклоняется от геометрического направления, ааданн-ного углами Уо и Р$ соответственно в меридиональной и тангенциальной плоскости, на угли Су н о а . Поэтому истинное направление вектора скорости на входе в цилиндр опре деляется углами

Величины о » S y зависят от геометрических ха v с р ктеристик окна и от степени его открытия. Эти зависимости определяются экспериментально.

Исследование проводилось методом статической продувки модели впускного окна, установленной на стенде /99/.

Модель, представляющая собой единичное окно прямоугольной или круглой формы, изображена на рис.4.6. Окно X перекрывается уступом 2, играющим роль поршня, который может перемещаться по высоте окна

Источник http://www.dslib.net/teplo-dvigateli/teorija-i-raschet-gazodinamicheskih-processov-v-bystrohodnom-2-h-taktnom.html