Публикации
Численная оптимизация нестационарных тепловых процессов турбокомпрессора
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня с повышением требований к эффективному использованию топлива и контролю выбросов выхлопных газов растёт спрос на турбокомпрессоры, используемые в автомобилях для повышения его мощности и снижения расхода топлива. Изначально созданные для авиационных двигателей, работающих на больших высотах, турбокомпрессоры обеспечивают наддув, повышающий характеристики двигателя. В настоящее время турбокомпрессоры широко используется в автомобилях, мотоциклах, грузовиках, поездах и морских судах. Турбокомпрессоры преобразуют энергию отработанных выхлопных газов двигателя в сжатие воздуха, и в двигатель поступает большее количество смеси воздуха с топливом, что приводит к увеличению объёма сгораемого топлива с воздухом. Двигатель с турбонаддувом производит больше мощности без существенного увеличения веса двигателя, что обеспечивает высокую эффективность и производительность двигателя. Стандартный турбокомпрессор состоит из турбины и компрессора, соединённые валом. Выхлопные газы двигателя приводят в движение турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор, который засасывает воздух через впускное устройство. Для поддержания небольшого веса турбина и компрессор изготавливаются из керамических материалов. Высокая скорость вращения турбины, иногда в 30 раз выше скорости работы двигателя, вместе с высокой температурой выхлопных газов, делают терморегулирование турбокомпрессоров критическим моментом для разработчиков.
Часто процессу изготовления твёрдых дозированных таблеток не достаёт надёжности и точности вследствие производственных ошибок и недостаточного контроля за технологическим процессом.
Часто инженерам приходится сталкиваться с более обыденными задачами: как сделать уже существующий на рынке продукт или идею лучше, быстрее, компактнее, легче, дешевле или усовершенствовать каким-либо другим образом.
РАЗРАБОТКА ТУРБОКОМПРЕССОРА С ТЕПЛОВОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ
Турбокомпрессор термодинамически связан с двигателем внутреннего сгорания и приводится в действие выхлопными газами, которые, расширяясь в турбине, приводят в действие компрессор, механически связанный с турбиной через вращающийся вал. Температура горячих выхлопных газов бензинного двигателя может превышать 1000°С на входе в турбину. Их необходимо изолировать от воздуха, поступающего в компрессор с температурой окружающей среды. Разница в температурах до 1000°С в одном компоненте с вращающимися частями на очень высоких скоростях является большой проблемой не только с механической точки зрения.
Терморегулирование означает уравновешивание тепловых потоков внутри турбокомпрессора с одновременным контролем и ограничением температуры конструкции корпуса турбокомпрессора и вращающегося узла, а также смазки и охлаждающей жидкости. Тепловое регулирование также означает регулирование теплопереноса излучением, конвекцией и теплопроводностью с окружающими и соседними компонентами. Тепловое взаимодействие с окружающими элементами может быть настолько сильным, что может привести к повреждению турбокомпрессора, выпускного коллектора, а также соседних компонентов.
Разность температур между выхлопными газами и впускаемым воздухом представляет не единственную сложную задачу для инженеров. Температура может изменяться вследствие внезапного изменения нагрузки, например, вследствие падения ускорения при полной нагрузке до нуля. Такие случаи могут стать причиной изменения температуры на выходе турбонагнетателя в несколько сотен градусов за несколько секунд, вызывая высокие тепловые напряжения и, в конечном итоге, износ. Именно поэтому нестационарные тепловые расчёты столь важны для анализа прочности конструкции и компоновки элементов турбокомпрессора.
Тепловая надёжность - главная цель теплового регулирования. Однако, следует отметить, что теплоперенос от выпускного коллектора к компрессору может снизить эффективность компрессора и таким образом непосредственно влияет на работу двигателя. Кроме того, если компрессор работает вблизи границ газодинамической устойчивости, может возникнуть нестабильность в работе компрессора.
Тепловой расчёт турбокомпрессора основан на тщательном анализе газодинамики. Давление от газового потока в турбине и компрессоре балансируются за счёт потерь на трение от вращающегося вала и инерции масс от вращающегося узла, позволяя турбокомпрессору работать как в стационарном, так и в нестационарном режиме. Компания InDesA имеет достаточно опыта в расчёте потоков компрессоров и турбин с помощью программного кода STAR-CCM+. Программный код позволяет рассчитать даже локальные области сверхзвукового потока и взаимодействие с ударными волнами в диффузоре компрессора в режимах, близких к режиму помпажа. Таким образом, STAR-CCM+ даёт возможность моделировать работу компрессоров во всей рабочей области, что является одним из условий анализа нестационарных потоков и тепловых явлений.
МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЁТА
Для расчёта турбокомпрессора и окружающих элементов был выбран прямой связанный метод расчёта теплового взаимодействия газообразной среды с твёрдым телом (CFD/CHT). Модель состояла из следующих сред: выхлопной газ, впускаемый воздух, охлаждающая жидкость, масло для двигателя, а также различные материалы для вращающегося узла, корпуса компрессора и турбины, подшипников и затворов, а также для тепловых экранов (Рисунок 1). Вращающийся узел связан с потоком через компрессор и турбину за счёт взаимодействия «жидкость – твёрдое тело», где результирующие моменты от потока на колесо компрессора и турбины используются для расчёта углового ускорения узла. Момент трения для подшипников и затворок рассчитывался с помощью угловой скорости и температуры масла как зависимые переменные. Вращение узла связано с не вращающимися областями скользящими интерфейсами.
Рисунок 1. Подсистемы для связанного расчёта турбокомпрессора
Для замыкания системы использовался упрощённый подход, связывающий поток на выходе компрессора с потоком на входе в турбину благодаря использованию основных термодинамических моделей охлаждения всасываемого воздуха и регулирования фаз газораспределения на входе и выходе из камеры сгорания через пользовательские переменные. Для ускорения турбокомпрессора был увеличен массовый расход топлива. Увеличение расхода топлива регулируется за счёт соотношения топливно-воздушной смеси.
Для более реалистичного моделирования работы двигателя, дизельного или бензинного, рекомендуется использовать 1D модель GT-POWER, которая напрямую может быть связана с моделью STAR-CCM+, позволяя лучше контролировать дроссель, систему впрыска топлива, зажигание, такт клапана, выпускной клапан и скорость рециркуляции отработавших газов.
РАСЧЁТНАЯ МОДЕЛЬ И ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
Турбокомпрессор, используемый в данном примере, показан на рисунке 2. Он соединён с простым литым выпускным коллектором, имеющим внизу тепловой экран, выпускной трубой. К компрессору прикреплены впускной и выпускной патрубки. Использовалась модель сопряжённого теплообмена (Conjugate Heat Transfer – CHT). Для расчета была создана сетка с многогранными ячейками для всех жидкостных и твёрдых сред. Чтобы описать пограничный слой потока, жидкостные области вблизи твёрдых стенок были измельчены как минимум 4-мя призматическими слоями. Для большей точности использовались согласованные интерфейсы «узел в узел». Конечная сетка состояла из 14 млн. ячеек с 24 областями и семью физическими континуумами. За пределами компрессора объёмная сетка не использовалась, т.к. тепловые экраны связаны термически с системой только посредством излучения. На внешних (наружных) поверхностях турбокомпрессора и тепловых экранов были определены коэффициенты теплопереноса и температура окружающей среды для расчёта тепловой конвекции. На границе входа охлаждающей жидкости и масла были заданы объёмный расход и температура впуска, в то время как для впускаемого воздуха граничные условия на входе были заданы как давление и температура торможения. На выходе компрессора было определено противодавление. Наконец, переходный процесс системы регулировался расходом топлива с условием, что вследствие изменения нагрузки частота вращения двигателя не изменялась.
Рисунок 2. Расчётная модель турбокомпрессора
На рисунке 3 показан неустановившийся процесс массового расхода выхлопных газов и впускаемого воздуха по мере увеличения массового расхода топлива. Данный этап задачи разделён на три периода: стационарный период работы двигателя и теплового состояния, затем период с линейно-возрастающим расходом топлива до определённого значения. В последнем периоде возобновляется постоянный (устойчивый) режим работы двигателя, при котором тепловые условия начинают подстраиваться под новый режим работы турбокомпрессора с более высокой скоростью. Колебания массового расхода топлива вызваны регулированием соотношения «топливо-воздух» и, следовательно, колебания могут также наблюдаться и для массового расхода газа.
Рисунок 3. Динамическая реакция турбокомпрессора
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Для простоты предполагается, что давление выхлопных газов на входе выпускного коллектора соответствует давлению наддува (на всасывании). Инерция двигателя и трансмиссии не учитываются. Как следствие, наблюдается быстрая реакция выхлопных газов и вращающегося узла (Рисунок 3).
Тепловая реакция отстает от механической реакции турбокомпрессора. Фактически, температуры в различных местах имеют различную скорость реакции (Рисунок 4). В конце расчёта, по прошествии трёх секунд, температуры не достигли постоянных значений. На этом этапе поле потока стабильно, и если необходимо получить окончательное тепловое состояние, можно выполнить расчёт вращающегося узла в подвижной системе отсчёта.
Рисунок 4. Тепловая реакция на ускорение турбокомпрессора
Профили температуры позволяют определить, может ли нестабильный режим стать критическим для конструкции турбокомпрессора. В заключение для определения критических тепловых напряжений необходимо выполнить анализ неустановившихся напряжений в STAR-CCM+ с вводом температурного поля на шаге временной дискретизации. На рисунке 5 показан график температурных контуров на шаге временной дискретизации.
Рисунок 5. Контуры температуры на конструкции турбокомпрессора
Температура колеса и корпуса турбины зависит, в первую очередь, от температуры выхлопных газов, а колеса и корпуса компрессора – от сжатия воздуха. Уравновешенность всех тепловых потоков, движущихся от конструкции турбокомпрессора к охлаждающей жидкости и моторному маслу, а также к окружающей среде посредством конвекции и излучения, позволяет получить мгновенное температурное поле. Кроме того, для точного определения температуры конструкции необходимо рассчитать тепловое взаимодействие различных частей турбокомпрессора и теплового экрана.
В принципе, при выявлении в ходе анализа конструкции критических напряжений, есть три варианта решения. Как правило, задачу можно решить за счёт снижения температуры, исправления геометрии для уменьшения теплового напряжения или использования для турбокомпрессоров более надёжных материалов. Температуры выхлопных газов можно регулировать, ослабляя наддув, тормозя время зажигания и обогащая смесь из воздуха и топлива. Однако предусмотрен и другой вариант – тщательный анализ тепловых потоков внутри турбокомпрессора. Как только мы получим представление о взаимодействии тепловых потоков между различными средами, они в последствие могут регулироваться небольшими изменениями водяной рубашки или тепловых мостов внутри конструкции. Часто такой способ решения тепловых задач оказывается намного эффективнее простой подгонки (корректировки) параметров горения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Тепловой расчёт стал простым и надёжным методом для создания виртуальной модели турбокомпрессора. Он предоставляет существенные данные для анализа прочности конструкции, в ходе которого выявляются тепловые напряжения, которые могут привести к износу конструкции. Часто, для облегчения задачи, тепловые напряжения рассчитываются только для состояний нагрева/охлаждения. Тем не менее, переходный тепловой расчёт может оказаться более важным в сравнении со стационарным расчётом, позволяя определить неустановившиеся тепловые напряжения. С другой стороны, переходные (нестационарные) тепловые эффекты могут «смягчить» внезапные скачки температуры, т.к. тепловая инерция масс позволяет также ослабить воздействие внезапных скачков температуры. Краткосрочное, но внезапное ускорение турбокомпрессора не сразу приводит к критической температуре. Переходные тепловые расчёты позволяют получить точные результаты расчётов тепловых напряжений.
Представленная методика является управляемым подходом, использующим STAR-CCM+ от CD-adapco для связывания переходного потока в турбине и компрессора с вращающимся узлом и в то же время для расчёта тепловой реакции.
Журнал: Dynamics, № 36 март 2014, стр. 37- 39
Авторы статьи: Fabiano Bet & Gerald Seider, компания InDesA GmbH
Интеграция современных вычислительных методов в цикл разработки продукта помогает определить тепловое состояние турбокомпрессоров через моделирование работы отдельных компонентов и системы в целом. Численное моделирование открывает спектр возможностей для исследования механизма и эффективности работы вращающихся компонентов турбокомпрессора с тепловой точки зрения. Последние достижения в CFD моделировании превратили расчёт переходных процессов в практичный инструмент анализа турбокомпрессора. В данной статье описывается использование компанией InDesA вычислительных методов программного кода STAR-CCM+ от CD-adapco для эффективной разработки турбокомпрессора.
