ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ГАЗООБМЕНА В ПОРШНЕВЫХ ДВС ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПОТОКОВ ВО ВПУСКНЫХ И ВЫПУСКНЫХ КАНАЛАХ
|
Актуальность темы исследования. Известно, что около 80 % всей мировой энергии производится поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС). В зависимости от региона суммарная мощность поршневых ДВС превышает совокупную мощность тепловых электрических станций в 5,5-10 раз. Соответственно совершенствование рабочих процессов, отработка систем и элементов конструкций ДВС в целях повышения их технико-экономических показателей является одной из актуальных задач мировой энергетики.
Исследованию тепломеханических характеристик течения газов во впускном и выпускном трубопроводах уделяется недостаточное внимание. Это объясняется тем, что совершенствование процессов в камере сгорания, безусловно, является более результативным с точки зрения повышения технико-экономических показателей двигателей. Однако на данный момент двигателестроение достигло такого уровня развития, что улучшение любого показателя поршневого ДВС даже на несколько десятых процента является серьезным достижением для специалистов. Поэтому повышение качества процессов газообмена (увеличение коэффициента наполнения и снижение коэффициента остаточных газов), а также изучение газодинамики и теплообмена в газовоздушных трактах ДВС представляется другим перспективным научно-техническим направлением в развитии двигателестроения.
Известно, что процессы в газовоздушных трактах современных двигателей являются высокочастотными и нестационарными. Периоды газообмена составляют сотые и даже тысячные доли секунды. Характеристики потоков газа в трубопроводах двигателей изменяются с частотой до 100 Гц и более. Поэтому на сегодняшний день изучение тепломеханических характеристик течения газов в газовоздушных трактах в стационарных условиях и (или) с помощью квазистационарных подходов численным моделированием является неперспективным. Вместе с тем количество литературных источников об оценке и учете влияния газодинамической нестационарности на тепломеханические характеристики газовых потоков весьма ограничено, а данные и противоречивы, и устоявшиеся методологические подходы и существующая приборно-измерительная база не в полной мере способствуют развитию исследований процессов в нестационарных условиях. Таким образом, решение рассматриваемых проблем является актуальной задачей развития науки и техники.
Цель работы - уточнить физический механизм высокочастотных, пульсирующих течений и установить закономерности изменения газодинамических и тепловых характеристик потоков во впускных и выпускных каналах от геометрических и режимных факторов в условиях газодинамической нестационарности для повышения качества газообмена в поршневых ДВС и на этой основе разработать проектно-внедренческие решения, способствующие повышению технических показателей двигателей.
Задачи исследования:
1) установить степень газодинамической нестационарности газовых потоков во впускных и выпускных трубопроводах поршневых ДВС и на этой основе провести анализ ее влияния на локальную теплоотдачу;
2) разработать методики исследования тепломеханических процессов во впускных и выпускных трубопроводах поршневых двигателей с учетом газодинамической нестационарности;
3) выявить физические особенности газодинамических условий теплоотдачи высокочастотного, пульсирующего потока в газовоздушных трактах двигателей;
4) установить влияние конфигурации газовоздушных трактов и наличия дополнительных элементов в системах впуска и выпуска (компрессора и турбины, фильтра, глушителя) на газодинамические и тепломеханические характеристики газовых потоков в поршневых ДВС;
5) выявить особенности тепломеханических характеристик газовых потоков во впускном и выпускном трубопроводах поршневых ДВС с турбонаддувом и без него, а также установить зависимости изменения мгновенных значений скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи потоков в газовоздушных трактах ДВС при разных режимах работы поршневого двигателя и турбокомпрессора;
6) получить и обобщить экспериментальные данные по мгновенному локальному коэффициенту теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневого ДВС с турбонаддувом и без него;
7) на основе полученных данных выполнить в специализированных прграммных комплексах математическое моделирование рабочих процессов полно-размерных поршневых двигателей с учетом газодинамической нестационарности процессов во впускных и выпускных трубопроводах в целях оценки влияния совершенствования газообмена на технико-экономические показатели ДВС;
8) разработать конструкторские решения для предлагаемых способов повышения качества газообмена в двигателях: увеличения расхода рабочего тела через впускную систему (повышения коэффициента наполнения) и улучшения очистки цилиндров от отработавших газов (снижения коэффициента остаточных газов).
Научная новизна основных положений работы:
а) по специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника:
- предложена методология исследования тепломеханических характеристик потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей в условиях газодинамической нестационарности (ускорения и замедления газовых потоков);
- разработана сравнительная методика для оценки степени нестационарности переходных процессов газовых потоков в трубопроводах на основе характерных времен (время восстановления и время релаксации);
- показаны особенности закономерностей изменения локального коэффициента теплоотдачи при нестационарном течении газов во впускных и выпускных трубопроводах поршневых двигателей внутреннего сгорания; установлено, что снижение интенсивности локальной теплоотдачи пульсирующего газового потока во впускных и выпускных трубопроводах находится в диапазоне 1,2-2,5 по сравнению со стационарным течением; предложен способ учета влияния газодинамической нестационарности течений в трубопроводах на локальную теплоотдачу;
- установлены основные закономерности изменения мгновенных значений местных скорости и давления, а также локального коэффициента теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневого ДВС с турбонаддувом и без него при разных ре-жимах работы двигателя и турбокомпрессора; показано, что процессы газообмена в двигателях с наддувом имеют существенно другую тепломеханическую природу и, следовательно, для их улучшения необходимо разрабатывать специальные меры совершенствования процессов при впуске и выпуске;
- получены эмпирические уравнения для расчета мгновенного локального коэффициента теплоотдачи ах во впускном и выпускном трубопроводах разной конфигурации для поршневых ДВС с турбонаддувом и без.
б) по специальности 05.04.02 - Тепловые двигатели:
- предложены проектно-внедренческие решения по увеличению расхода рабочего тела через цилиндры поршневых ДВС (максимальное увеличение коэффициента наполнения на 22 %) и по улучшению очистки цилиндра от отработавших газов (максимальное снижение коэффициента остаточных газов на 24 %) путем поперечного и продольного профилирования впускного и выпускного трубопроводов поршневых ДВС без наддува (что приводит к повышению мощности двигателя до 14 % при фактически неизменном удельном расходе топлива);
- разработан способ уменьшения амплитуд пульсаций давления и скорости газового потока (максимум до 2,5 раз) во впускном трубопроводе поршневого ДВС с турбонаддувом, а также способ снижения локального коэффициента теплоотдачи в нем (в среднем на 20 %), что позволит улучшить равномерность работы цилиндров многоцилиндрового двигателя, снизить уровень аэродинамического шума и повысить надежность двигателя в целом;
- выполнено физико-математическое моделирование рабочих процессов полноразмерных двигателей с учетом конфигурации газовоздушных трактов и газодинамической нестационарности при впуске и выпуске с помощью программных комплексов «Дизель-РК» (МГТУ имени Н. Э. Баумана) и ACTUS (ABB Turbo Systems); на основе модельно-ориентированного проектирования проведен системный анализ влияния газодинамического совершенствования впускных и выпускных трубопроводов на технические показатели поршневых ДВС.
Степень достоверности результатов основывается на использовании апробированного прикладного программного обеспечения для выполнения комплексных расчетных исследований и обработки экспериментальных данных, а также надежности экспериментальных данных, что обуславливается сочетанием независимых методик исследования и воспроизводимостью результатов измерений, применением комплекса современных методов исследования, выбором измерительной аппаратуры с соответствующим метрологическим обеспечением, ее систематической поверкой и тарировкой, а также хорошим согласованием опытных данных на уровне пилотных экспериментов с результатами других авторов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1) в области двигателестроения разработаны оригинальные проектно-внедренческие решения для впускных и выпускных систем двигателей (защищенные патентами РФ), повышающие технико-экономические показатели двигателей (за счет улучшения наполнения цилиндра рабочим телом и очистки цилиндра от отработавших газов);
2) в области приборной техники для теплофизического эксперимента разработана и реализована электронная схема термоанемометра постоянной температуры, которая защищена патентом РФ;
3) в области инженерной теплофизики разработан метод учета тепломеханической нестационарности при расчете локального коэффициента теплоотдачи в цилиндрических каналах;
4) в сегменте проектных расчетов получены и обобщены данные по интенсивности мгновенной локальной теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневых ДВС, необходимые:
- для расчета величины подогрева рабочего тела на впуске и для охлаждения отработавших газов на выпуске;
- определения динамики распределения температурных напряжений в деталях и узлах трактов и соответственно нахождения температурных напряжений в них.
Комплекс созданных экспериментальных методик и результатов физико-математического моделирования, совокупность опытных и аналитических данных, рас-четных формул и гистограмм расширяет базу знаний о теплофизических процессах при течении газовых потоков в условиях нестационарности, создает основу для совершенствования инженерных методов расчета впускных и выпускных систем двигателей, а также дополняет и уточняет теоретические и прикладные представления о газодинамике и локальной теплоотдаче потока газов при впуске и выпуске, что необходимо для модернизации существующих и разработки новых конструкций перспективных поршневых ДВС.
Консультации по прикладным аспектам данной работы осуществлялись за-служенным деятелем науки РФ, д-ром техн. наук, проф. Кукисом В. С.
Методология и методы исследования. В диссертации экспериментально исследовалась газодинамика и теплообмен потоков газа в газовоздушных трактах поршневых двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом и без него на основе подходов, принятых к изучению нестационарных течений. Пульсирующий газовый поток создавался с помощью моделирующих устройств и клапанных механизмов натурных поршневых ДВС. Натурные экспериментальные стенды представляли собой одноцилиндровые модели двигателя внутреннего сгорания размерностью 8,2/7,1. Верификация опытных данных, полученных на моделях, осуществлялась на действующем поршневом двигателе 2ЧН 8,2/7,1. Для исследования тепломеханических характеристик газовых потоков во впускных и выпускных системах поршневых ДВС за основу был выбран метод термоанемометрирования. Для его реализации разработана оригинальная схема термоанемометра постоянной температуры (патент РФ № 81338), которая учитывала особенности пульсирующих течений, характерные для газовоздушных систем поршневых ДВС.
Оценка эффективности разработанных методов газодинамического совершенствования газовоздушных трактов на совершенство рабочего процесса полноразмерных поршневых ДВС с турбонаддувом и без него производилась с помощью математического моделирования в специализированных программных комплексах «Дизель-РК» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) и ACTUS (ABB Turbo Systems), а также с помощью расчетно-аналитических методов, разработанных профессором Б. А. Шароглазовым.
Реализация результатов работы. Ключевые результаты работы приняты к реализации в ООО «Уральский дизель-моторный завод» (при совершенствовании дизелей размерности 21/21), ПАО «Уралмашзавод» (при доводке дизельных силовых установок для привода гидравлических экскаваторов), ОАО «Машиностроительный завод имени М.И.Калинина» (при совершенствовании систем и агрегатов гражданских машин), промышленной группе «Генерация» (при разработке дизельных приводов для буровых насосов и лебедок, а также дизельных электростанций).
Основные положения и рекомендации диссертационной работы изложены в монографии, а также в 4-х учебных пособиях, которые используются в учебном процессе кафедр «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Турбины и двигатели» при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлениям «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергетическое машиностроение», а также в Высшей инженерной школе УрФУ при реализации программ повышения квалификации инженерных кадров Уральского региона.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методики (и их аппаратное оформление) определения мгновенных значений местных скорости, давления и расхода нестационарного газового потока в трубопроводах различной конфигурации, а также интенсивности мгновенной локальной теплоотдачи в них;
- методика определения степени газодинамической нестационарности газовых потоков в цилиндрических каналах путем сопоставления характерных времен (времени восстановления и времени релаксации) с продолжительностью переходного процесса;
- способ учета влияния газодинамической нестационарности течений в трубопроводах разной конфигурации на локальную теплоотдачу в них;
- экспериментальные данные и их обобщение по газодинамике и локальной теплоотдаче в газовоздушных трактах поршневых ДВС с турбонаддувом и без него в виде гистограмм и эмпирических уравнений;
- комплекс конструкторских рекомендаций по улучшению тепломеханических характеристик газовых потоков в газовоздушных трактах ДВС, приводящих к увеличению расхода рабочего тела через впускную систему и улучшению очистки цилиндра от отработавших газов поршневого ДВС и тем самым повышающих технико-экономические показатели поршневых двигателей с турбонаддувом и без;
- результаты математического моделирования рабочих циклов полноразмерных двигателей с учетом конфигурации газовоздушных трактов и газодинамической нестационарности процессов при впуске и выпуске;
- результаты апробации и внедрения результатов проведенных научных исследований на энергетических установках на базе поршневых ДВС.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором или при непосредственном его участии. На основе обзора и анализа литературы им сформулированы цели и задачи исследования, разработаны методики, проведено численное моделирование, созданы рабочие проекты экспериментальных установок и отлажены лабораторные стенды, выполнены экспериментальные работы, структурированы и систематизированы полученные данные. Автором с сотрудниками разработаны и защищены патентами РФ: схема термоанемометра постоянной температуры, комплекс проектно-внедренческих решений по совершенствованию расходных характеристик через впускную систему, а также конструктивные способы по улучшению очистки цилиндров ДВС от отработавших газов. Обсуждение общих постановок задач и полученных результатов осуществлялось совместно с соавторами опубликованных работ.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: научно-технической конференции «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения» (Челябинск, ЧВВАКИУ, 2008, 2010); Международной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории, практики и подготовки кадров» (Челябинск, ЮУрГУ, 2011); научно-техническом семинаре кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» (Челябинск, ЮУрГУ, 2012); I и II Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг» (Челябинск, ЮУрГУ, 2016, 2017); на научно-технических советах при ООО «Уральский дизель-моторный завод» (Екатеринбург, 2009, 2012-15); научных семинарах кафедр «Турбины и двигатели» и «Теплоэнергетика и теплотехника» (Екатеринбург, УрФУ, 2006-15); Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, УрФУ, 2009 и 2011); X, XI Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, УГЛТУ, 2012, 2013); Международной конференции «Двигатель-2010» (Москва, МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2010); Шестой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2014); заседании кафедры «Поршневые двигатели» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016); научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» (Санкт-Петербург, 2009); межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (Санкт-Петербург, СПбГМТУ, 2010); 2-6-й Всероссийских межотраслевых научно-технических конференциях «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, СПбГМТУ, 2013-17); научно-техническом семинаре кафедры «Теоретические основы теплотехники» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2015); VIII Mezinarodni vedecko- prakticka conference «Aktualni vymozenosti vedy» (Praha, 2012); 8-а Международна научна практична конференция «Новини на научния прогрес» (Болгария, София, 2012); IX Mezinarodni vedecko-prakticka konference «Aplikované vedecké novinky» (Praha, 2013); «Национальный конгресс по энергетике 2014» (Казань, КГЭУ, 2014); I Международной конференции «Электротехника. Энергетика. Машиностроение» (Новосибирск, НГТУ, 2014); VII Международной конференции молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика» (Новосибирск, НГТУ, 2015); научно-техническом семинаре Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (Новосибирск, 2015); XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Ново-сибирск, ИТ им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 2016); XIX, XX и XXI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, Звенигород, Московская область, 2013, 2015, 2017); 12th Interna-tional CDIO Conference (Turku, Finland, 2016); научно-техническом семинаре ABB Turbo Systems (Baden, Swissland, 2015).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 78 научных и учебных изданиях (из них 27 относятся к рецензируемым научным изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов при защите докторских диссертаций), в том числе в 1 монографии, 7 статьях в журналах, индексируемых базами данных Scopus и WoS, 6 патентах РФ на полезную модель и в 4 учебных пособиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 264 наименования и 8 приложений. Она содержит: 378 страниц текста, 201 рисунок, 6 таблиц по тексту, на 4 страницах приложения представлены документы о внедрении результатов работы.
Исследованию тепломеханических характеристик течения газов во впускном и выпускном трубопроводах уделяется недостаточное внимание. Это объясняется тем, что совершенствование процессов в камере сгорания, безусловно, является более результативным с точки зрения повышения технико-экономических показателей двигателей. Однако на данный момент двигателестроение достигло такого уровня развития, что улучшение любого показателя поршневого ДВС даже на несколько десятых процента является серьезным достижением для специалистов. Поэтому повышение качества процессов газообмена (увеличение коэффициента наполнения и снижение коэффициента остаточных газов), а также изучение газодинамики и теплообмена в газовоздушных трактах ДВС представляется другим перспективным научно-техническим направлением в развитии двигателестроения.
Известно, что процессы в газовоздушных трактах современных двигателей являются высокочастотными и нестационарными. Периоды газообмена составляют сотые и даже тысячные доли секунды. Характеристики потоков газа в трубопроводах двигателей изменяются с частотой до 100 Гц и более. Поэтому на сегодняшний день изучение тепломеханических характеристик течения газов в газовоздушных трактах в стационарных условиях и (или) с помощью квазистационарных подходов численным моделированием является неперспективным. Вместе с тем количество литературных источников об оценке и учете влияния газодинамической нестационарности на тепломеханические характеристики газовых потоков весьма ограничено, а данные и противоречивы, и устоявшиеся методологические подходы и существующая приборно-измерительная база не в полной мере способствуют развитию исследований процессов в нестационарных условиях. Таким образом, решение рассматриваемых проблем является актуальной задачей развития науки и техники.
Цель работы - уточнить физический механизм высокочастотных, пульсирующих течений и установить закономерности изменения газодинамических и тепловых характеристик потоков во впускных и выпускных каналах от геометрических и режимных факторов в условиях газодинамической нестационарности для повышения качества газообмена в поршневых ДВС и на этой основе разработать проектно-внедренческие решения, способствующие повышению технических показателей двигателей.
Задачи исследования:
1) установить степень газодинамической нестационарности газовых потоков во впускных и выпускных трубопроводах поршневых ДВС и на этой основе провести анализ ее влияния на локальную теплоотдачу;
2) разработать методики исследования тепломеханических процессов во впускных и выпускных трубопроводах поршневых двигателей с учетом газодинамической нестационарности;
3) выявить физические особенности газодинамических условий теплоотдачи высокочастотного, пульсирующего потока в газовоздушных трактах двигателей;
4) установить влияние конфигурации газовоздушных трактов и наличия дополнительных элементов в системах впуска и выпуска (компрессора и турбины, фильтра, глушителя) на газодинамические и тепломеханические характеристики газовых потоков в поршневых ДВС;
5) выявить особенности тепломеханических характеристик газовых потоков во впускном и выпускном трубопроводах поршневых ДВС с турбонаддувом и без него, а также установить зависимости изменения мгновенных значений скорости, давления и локального коэффициента теплоотдачи потоков в газовоздушных трактах ДВС при разных режимах работы поршневого двигателя и турбокомпрессора;
6) получить и обобщить экспериментальные данные по мгновенному локальному коэффициенту теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневого ДВС с турбонаддувом и без него;
7) на основе полученных данных выполнить в специализированных прграммных комплексах математическое моделирование рабочих процессов полно-размерных поршневых двигателей с учетом газодинамической нестационарности процессов во впускных и выпускных трубопроводах в целях оценки влияния совершенствования газообмена на технико-экономические показатели ДВС;
8) разработать конструкторские решения для предлагаемых способов повышения качества газообмена в двигателях: увеличения расхода рабочего тела через впускную систему (повышения коэффициента наполнения) и улучшения очистки цилиндров от отработавших газов (снижения коэффициента остаточных газов).
Научная новизна основных положений работы:
а) по специальности 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника:
- предложена методология исследования тепломеханических характеристик потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей в условиях газодинамической нестационарности (ускорения и замедления газовых потоков);
- разработана сравнительная методика для оценки степени нестационарности переходных процессов газовых потоков в трубопроводах на основе характерных времен (время восстановления и время релаксации);
- показаны особенности закономерностей изменения локального коэффициента теплоотдачи при нестационарном течении газов во впускных и выпускных трубопроводах поршневых двигателей внутреннего сгорания; установлено, что снижение интенсивности локальной теплоотдачи пульсирующего газового потока во впускных и выпускных трубопроводах находится в диапазоне 1,2-2,5 по сравнению со стационарным течением; предложен способ учета влияния газодинамической нестационарности течений в трубопроводах на локальную теплоотдачу;
- установлены основные закономерности изменения мгновенных значений местных скорости и давления, а также локального коэффициента теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневого ДВС с турбонаддувом и без него при разных ре-жимах работы двигателя и турбокомпрессора; показано, что процессы газообмена в двигателях с наддувом имеют существенно другую тепломеханическую природу и, следовательно, для их улучшения необходимо разрабатывать специальные меры совершенствования процессов при впуске и выпуске;
- получены эмпирические уравнения для расчета мгновенного локального коэффициента теплоотдачи ах во впускном и выпускном трубопроводах разной конфигурации для поршневых ДВС с турбонаддувом и без.
б) по специальности 05.04.02 - Тепловые двигатели:
- предложены проектно-внедренческие решения по увеличению расхода рабочего тела через цилиндры поршневых ДВС (максимальное увеличение коэффициента наполнения на 22 %) и по улучшению очистки цилиндра от отработавших газов (максимальное снижение коэффициента остаточных газов на 24 %) путем поперечного и продольного профилирования впускного и выпускного трубопроводов поршневых ДВС без наддува (что приводит к повышению мощности двигателя до 14 % при фактически неизменном удельном расходе топлива);
- разработан способ уменьшения амплитуд пульсаций давления и скорости газового потока (максимум до 2,5 раз) во впускном трубопроводе поршневого ДВС с турбонаддувом, а также способ снижения локального коэффициента теплоотдачи в нем (в среднем на 20 %), что позволит улучшить равномерность работы цилиндров многоцилиндрового двигателя, снизить уровень аэродинамического шума и повысить надежность двигателя в целом;
- выполнено физико-математическое моделирование рабочих процессов полноразмерных двигателей с учетом конфигурации газовоздушных трактов и газодинамической нестационарности при впуске и выпуске с помощью программных комплексов «Дизель-РК» (МГТУ имени Н. Э. Баумана) и ACTUS (ABB Turbo Systems); на основе модельно-ориентированного проектирования проведен системный анализ влияния газодинамического совершенствования впускных и выпускных трубопроводов на технические показатели поршневых ДВС.
Степень достоверности результатов основывается на использовании апробированного прикладного программного обеспечения для выполнения комплексных расчетных исследований и обработки экспериментальных данных, а также надежности экспериментальных данных, что обуславливается сочетанием независимых методик исследования и воспроизводимостью результатов измерений, применением комплекса современных методов исследования, выбором измерительной аппаратуры с соответствующим метрологическим обеспечением, ее систематической поверкой и тарировкой, а также хорошим согласованием опытных данных на уровне пилотных экспериментов с результатами других авторов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1) в области двигателестроения разработаны оригинальные проектно-внедренческие решения для впускных и выпускных систем двигателей (защищенные патентами РФ), повышающие технико-экономические показатели двигателей (за счет улучшения наполнения цилиндра рабочим телом и очистки цилиндра от отработавших газов);
2) в области приборной техники для теплофизического эксперимента разработана и реализована электронная схема термоанемометра постоянной температуры, которая защищена патентом РФ;
3) в области инженерной теплофизики разработан метод учета тепломеханической нестационарности при расчете локального коэффициента теплоотдачи в цилиндрических каналах;
4) в сегменте проектных расчетов получены и обобщены данные по интенсивности мгновенной локальной теплоотдачи в газовоздушных трактах поршневых ДВС, необходимые:
- для расчета величины подогрева рабочего тела на впуске и для охлаждения отработавших газов на выпуске;
- определения динамики распределения температурных напряжений в деталях и узлах трактов и соответственно нахождения температурных напряжений в них.
Комплекс созданных экспериментальных методик и результатов физико-математического моделирования, совокупность опытных и аналитических данных, рас-четных формул и гистограмм расширяет базу знаний о теплофизических процессах при течении газовых потоков в условиях нестационарности, создает основу для совершенствования инженерных методов расчета впускных и выпускных систем двигателей, а также дополняет и уточняет теоретические и прикладные представления о газодинамике и локальной теплоотдаче потока газов при впуске и выпуске, что необходимо для модернизации существующих и разработки новых конструкций перспективных поршневых ДВС.
Консультации по прикладным аспектам данной работы осуществлялись за-служенным деятелем науки РФ, д-ром техн. наук, проф. Кукисом В. С.
Методология и методы исследования. В диссертации экспериментально исследовалась газодинамика и теплообмен потоков газа в газовоздушных трактах поршневых двигателей внутреннего сгорания с турбонаддувом и без него на основе подходов, принятых к изучению нестационарных течений. Пульсирующий газовый поток создавался с помощью моделирующих устройств и клапанных механизмов натурных поршневых ДВС. Натурные экспериментальные стенды представляли собой одноцилиндровые модели двигателя внутреннего сгорания размерностью 8,2/7,1. Верификация опытных данных, полученных на моделях, осуществлялась на действующем поршневом двигателе 2ЧН 8,2/7,1. Для исследования тепломеханических характеристик газовых потоков во впускных и выпускных системах поршневых ДВС за основу был выбран метод термоанемометрирования. Для его реализации разработана оригинальная схема термоанемометра постоянной температуры (патент РФ № 81338), которая учитывала особенности пульсирующих течений, характерные для газовоздушных систем поршневых ДВС.
Оценка эффективности разработанных методов газодинамического совершенствования газовоздушных трактов на совершенство рабочего процесса полноразмерных поршневых ДВС с турбонаддувом и без него производилась с помощью математического моделирования в специализированных программных комплексах «Дизель-РК» (МГТУ им. Н.Э. Баумана) и ACTUS (ABB Turbo Systems), а также с помощью расчетно-аналитических методов, разработанных профессором Б. А. Шароглазовым.
Реализация результатов работы. Ключевые результаты работы приняты к реализации в ООО «Уральский дизель-моторный завод» (при совершенствовании дизелей размерности 21/21), ПАО «Уралмашзавод» (при доводке дизельных силовых установок для привода гидравлических экскаваторов), ОАО «Машиностроительный завод имени М.И.Калинина» (при совершенствовании систем и агрегатов гражданских машин), промышленной группе «Генерация» (при разработке дизельных приводов для буровых насосов и лебедок, а также дизельных электростанций).
Основные положения и рекомендации диссертационной работы изложены в монографии, а также в 4-х учебных пособиях, которые используются в учебном процессе кафедр «Теплоэнергетика и теплотехника» и «Турбины и двигатели» при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлениям «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергетическое машиностроение», а также в Высшей инженерной школе УрФУ при реализации программ повышения квалификации инженерных кадров Уральского региона.
Основные положения, выносимые на защиту:
- методики (и их аппаратное оформление) определения мгновенных значений местных скорости, давления и расхода нестационарного газового потока в трубопроводах различной конфигурации, а также интенсивности мгновенной локальной теплоотдачи в них;
- методика определения степени газодинамической нестационарности газовых потоков в цилиндрических каналах путем сопоставления характерных времен (времени восстановления и времени релаксации) с продолжительностью переходного процесса;
- способ учета влияния газодинамической нестационарности течений в трубопроводах разной конфигурации на локальную теплоотдачу в них;
- экспериментальные данные и их обобщение по газодинамике и локальной теплоотдаче в газовоздушных трактах поршневых ДВС с турбонаддувом и без него в виде гистограмм и эмпирических уравнений;
- комплекс конструкторских рекомендаций по улучшению тепломеханических характеристик газовых потоков в газовоздушных трактах ДВС, приводящих к увеличению расхода рабочего тела через впускную систему и улучшению очистки цилиндра от отработавших газов поршневого ДВС и тем самым повышающих технико-экономические показатели поршневых двигателей с турбонаддувом и без;
- результаты математического моделирования рабочих циклов полноразмерных двигателей с учетом конфигурации газовоздушных трактов и газодинамической нестационарности процессов при впуске и выпуске;
- результаты апробации и внедрения результатов проведенных научных исследований на энергетических установках на базе поршневых ДВС.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором или при непосредственном его участии. На основе обзора и анализа литературы им сформулированы цели и задачи исследования, разработаны методики, проведено численное моделирование, созданы рабочие проекты экспериментальных установок и отлажены лабораторные стенды, выполнены экспериментальные работы, структурированы и систематизированы полученные данные. Автором с сотрудниками разработаны и защищены патентами РФ: схема термоанемометра постоянной температуры, комплекс проектно-внедренческих решений по совершенствованию расходных характеристик через впускную систему, а также конструктивные способы по улучшению очистки цилиндров ДВС от отработавших газов. Обсуждение общих постановок задач и полученных результатов осуществлялось совместно с соавторами опубликованных работ.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: научно-технической конференции «Повышение эффективности колесных и гусеничных машин многоцелевого назначения» (Челябинск, ЧВВАКИУ, 2008, 2010); Международной научно-технической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории, практики и подготовки кадров» (Челябинск, ЮУрГУ, 2011); научно-техническом семинаре кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» (Челябинск, ЮУрГУ, 2012); I и II Международной научно-технической конференции «Пром-Инжиниринг» (Челябинск, ЮУрГУ, 2016, 2017); на научно-технических советах при ООО «Уральский дизель-моторный завод» (Екатеринбург, 2009, 2012-15); научных семинарах кафедр «Турбины и двигатели» и «Теплоэнергетика и теплотехника» (Екатеринбург, УрФУ, 2006-15); Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, УрФУ, 2009 и 2011); X, XI Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» (Екатеринбург, УГЛТУ, 2012, 2013); Международной конференции «Двигатель-2010» (Москва, МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2010); Шестой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, МЭИ, 2014); заседании кафедры «Поршневые двигатели» (Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016); научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» (Санкт-Петербург, 2009); межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (Санкт-Петербург, СПбГМТУ, 2010); 2-6-й Всероссийских межотраслевых научно-технических конференциях «Актуальные проблемы морской энергетики» (Санкт-Петербург, СПбГМТУ, 2013-17); научно-техническом семинаре кафедры «Теоретические основы теплотехники» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2015); VIII Mezinarodni vedecko- prakticka conference «Aktualni vymozenosti vedy» (Praha, 2012); 8-а Международна научна практична конференция «Новини на научния прогрес» (Болгария, София, 2012); IX Mezinarodni vedecko-prakticka konference «Aplikované vedecké novinky» (Praha, 2013); «Национальный конгресс по энергетике 2014» (Казань, КГЭУ, 2014); I Международной конференции «Электротехника. Энергетика. Машиностроение» (Новосибирск, НГТУ, 2014); VII Международной конференции молодых ученых «Электротехника. Электротехнология. Энергетика» (Новосибирск, НГТУ, 2015); научно-техническом семинаре Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (Новосибирск, 2015); XIV Всероссийской школе-конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Ново-сибирск, ИТ им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 2016); XIX, XX и XXI Школах-семинарах молодых ученых и специалистов под руководством академика А. И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, Звенигород, Московская область, 2013, 2015, 2017); 12th Interna-tional CDIO Conference (Turku, Finland, 2016); научно-техническом семинаре ABB Turbo Systems (Baden, Swissland, 2015).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 78 научных и учебных изданиях (из них 27 относятся к рецензируемым научным изданиям, рекомендуемым ВАК для опубликования результатов при защите докторских диссертаций), в том числе в 1 монографии, 7 статьях в журналах, индексируемых базами данных Scopus и WoS, 6 патентах РФ на полезную модель и в 4 учебных пособиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 264 наименования и 8 приложений. Она содержит: 378 страниц текста, 201 рисунок, 6 таблиц по тексту, на 4 страницах приложения представлены документы о внедрении результатов работы.
Подобные работы
- ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ГАЗООБМЕНА В ПОРШНЕВЫХ ДВС ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА ПОТОКОВ ВО ВПУСКНЫХ И ВЫПУСКНЫХ КАНАЛАХ
Диссертации (РГБ), теплоэнергетика и теплотехника. Язык работы: Русский. Цена: 4325 р. Год сдачи: 2017 - ГАЗОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН ПУЛЬСИРУЮЩИХ ПОТОКОВ В СИСТЕМАХ ГАЗООБМЕНА УСТРОЙСТВ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Авторефераты (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2021
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (149577)
- Бакалаврская работа (38342)
- Диссертация (978)
- Магистерская диссертация (22138)
- Дипломные работы, ВКР (60355)
- Главы к дипломным работам (2138)
- Курсовые работы (10522)
- Контрольные работы (6265)
- Отчеты по практике (1357)
- Рефераты (1481)
- Задачи, тесты, ПТК (631)
- Ответы на вопросы (155)
- Статьи, Эссе, Сочинения (942)
- Бизнес-планы (51)
- Презентации (106)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1692)
- Диссертации (РГБ) (1882)
- Прочее (458)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
