CC BY
50
УДК. 629.113.004.67
А.С. Денисов, А.Р. Асоян, Н.В. Орлов
АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ И ТЕПЛОНАПРЯЖЕННОСТИ КОРПУСА ТУРБОКОМПРЕССОРА ДВИГАТЕЛЕЙ КАМАЗ-ЕВРО
Проведен анализ деформаций корпуса турбокомпрессора вследствии его теплонапряженного состояния и их влияние на эксплуатационную надежность турбокомпрессора. Для анализа деформаций и теплонапряженности корпуса турбокомпрессора использовалось программное обеспечение APM WinMachine 9.6.
Турбокомпрессор, теплонапряженность, эксплуатационная надежность, деформация, моделирование
A.S. Denisov, A.R. Asoyan, N.V. Orlov ANALYSIS OF DEFORMATION AND THERMAL STRESS SHELL OF TURBOCARGER OF ENGINES KAMAZ-EURO
The analysis of the deformation due to its turbocharger housing heat-states and their influence on the operational reliability of the turbocharger was carried out. For analyze the deformation and thermal stress shell turbocharger used software APM WinMachine 9.6.
Turbocharge, calorific, serviceability, deformation, simulation
Высокая неравномерность распределения температур в элементах корпуса турбокомпрессора (ТКР) приводит к значительному росту тепловых напряжений и деформаций деталей, наибольшие значения которых наблюдаются в нестационарных условиях работы подсистем ТКР. Это обусловливает повышенное внимание для обеспечения надежности ТКР приемлемого температурного режима его элементов и определяет актуальность исследования причин отказов в рабочих процессах турбокомпрессора. Анализ температуры основных элементов корпуса ТКР, их деформаций в процессе эксплуатации выявил высокие значения температур масла в подшипниковом узле и неравномерность распределения температур элементов его корпуса, вызывающих рост термических напряжений и соответствующих им деформаций.
При работе двигателя выхлопные газы, омывая чугунный корпус турбины, разогревают его. Часть тепла передается через контакт и излучением в корпус подшипника. С учетом температуры и коэффициента линейного расширения материалов расчетами установлено, что максимальный зазор, обеспечивающий работоспособность сопряжения «корпус турбины - корпус подшипников», должен быть не менее 0,206 мм [1]. Деформация корпуса подшипника ограничивается с одной стороны чугунным корпусом турбинного колеса. Таким образом, корпус подшипника непрерывно находится в сжатом положении при высокой температуре. При постоянном напряжении в условиях высоких температур наблюдается ползучесть материала. Предел ползучести материала зависит от температуры и существенно ниже предела текучести [3], поэтому в нагретой зоне предел ползучести снижается, и напряжения сжатия сравниваются или превышают предел ползучести.
Вследствие этого в наиболее нагретой части корпуса подшипника происходят пластические деформации. При этом напряжения сжатия в более холодных участках не достигают предела ползучести. Поэтому происходит их деформация в направлении разогретой, более пластичной зоны. Все это происходит внутри корпуса подшипника, охваченного чугунным корпусом турбины.
Для моделирования деформирования корпуса турбокомпрессора проведено исследование его теплонапряженности с помощью программы APM Win Machine 9.7. Основными исходными данными для расчета деформаций корпуса являются температурные поля, полученные в ходе экспериментальных исследований [1].
Для решения поставленной задачи используем твердотельное моделирование с автоматическим построением конечно-элементной сетки (рис. 1). Модель состоит из 151690 квадратичных тетраэдальных элементов и содержит 29768 узла.
Рис. 1. Трехмерная конечно-элементная модель корпуса турбокомпрессора ТКР7С-6
Рис. 2. Распределение деформаций в корпусе подшипников турбокомпрессора
Анализ теплонапряженного состояния корпуса турбокомпрессора подтверждает результаты исследований деформации деталей агрегата, рассеивание размеров и форм отверстий под посадочные поверхности подшипников вследствие действия высоких температур в процессе эксплуатации [2].
Поля тепловых напряжений в корпусе турбокомпрессора отличаются значительной неравномерностью распределения, вследствии этого наибольшие деформации (рис. 2) 178
находятся в месте соприкосновения корпуса турбокомпрессора с турбинной улиткой, омываемой выхлопными газами.
Описанный процесс деформирования носит вероятностный характер. Для его аналитического описания следует принять некоторые допущения.
Первое допущение - о прямой пропорциональности остаточной деформации 8 вероятности превышения предела ползучести Р(оп) в виде:
8 = 80+ Ъ-Р(Оп), (1)
где Ъ- коэффициент пропорциональности;
80- остаточная деформация от других факторов при Р(оп)=0.
Второе допущение - о прямой пропорциональности предела ползучести оп и температуры Т в виде:
/
О = Опо - Ъ Т, (2)
где Опо - предел ползучести при Т=0;
/
Ъ - коэффициент пропорциональности.
Эти допущения обусловлены незначительными интервалами изменения Т и оп . С учетом этих допущений проанализируем влияние Т на Р(оп), что поясняется рис. 3.
Рис. 3. Влияние температуры Т на вероятность превышения предела ползучести Р(оп)
Третье допущение - о нормальном законе распределения напряжений сжатия в модели. Определим вероятность Р(оп) при температуре Т1
(о-о)
а„1 (о-о)
е
(3)
где 8- среднеквадратическое отклонение напряжений сжатия; Оп1 - предел ползучести при температуре Т1.
При температуре Т2 вероятность Р1(оп) составит:
1 s„2 (g-g)2
P2(c")= sjp ie 2S2 ds’ (4)
где ап2-предел ползучести при температуре Т2 (заштрихованная площадь на рис. 3
увеличивается).
В этих условиях влияние температуры Т на остаточную деформацию s носит характер кумулятивной кривой (S- образной). Однако вследствие незначительных интервалов изменения температуры допустима линейная зависимость в виде:
8 = 8о+ Ь”Т, (5)
где b”- коэффициент пропорциональности.
Эта деформация повышает вероятность изменения соосности подшипников вала ротора турбокомпрессора, касания крыльчаток о корпус улиток, появления дисбаланса вала ротора, подтекания масла и заклинивания ротора.
Для снижения теплонапряженности и деформаций в элементах корпуса ТКР, а также температуры его подшипникового узла при остановке дизеля, на кафедре «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета предложено два способа функционального тюнинга системы смазки ТКР [4, 5].
Один способ заключается в использовании гидроаккумулятора в системе смазки, позволяющего снизить температуру в районе подшипникового узла до 15-ти градусов в зависимости от режима, на котором работал двигатель перед остановкой.
Другой способ предусматривает установку автономной системы смазки, позволяющей смазывать трущиеся поверхности ТКР перед запуском двигателя, во время работы и при остановке силового агрегата. Кроме того, данный метод позволяет использовать синтетические масла, которые не склонны к коксованию и работают в более высоком диапазоне температур.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисов А.С., Сычев А.М., Малаховецкий А.Ф. Исследование теплового состояния турбокомпрессора ТКР7Н-1 двигателя внутреннего сгорания // Проблемы теории, конструкции, проектирования и эксплуатации ракет, ракетных двигателей и наземномеханического оборудования к ним. Труды постоянно действующего науч. техн. семинара. Вып.35.Саратов, Военно-артиллерийский ун-т (филиал в г. Саратове). 2003. С. 102-104.
2. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. 2-е изд. переб. и доп. М.: изд. МЭИ, 2000. 480 с.
3. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1968. 241 с.
4. Патент на полезную модель № 69159 Российская Федерация, МПК Б01М 1/08. Система смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания / Денисов А. С., Коркин А. А.; заявитель и патентообладатель Денисов А. С. № 2007130636/22. 2007. 4 с.
5. Патент на полезную модель № 93462 Российская Федерация, МПК Б01М 1/08. Система смазки турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания / Денисов А.С., Асоян А.Р., Синягин А.С.; заявитель Денисов А.С., патентообладатель СГТУ. № 2009146742. 2009. 4 с.
Денисов Александр Сергеевич -
Denisov Alexander Sergeevich -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Асоян Артур Рафикович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Орлов Никита Васильевич -
аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department “Automobiles and automobile industry”, Saratov State Technical University
Asoyan Artur Rafikovich -
Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Department “Automobiles and automobile industry”, Saratov State Technical University
Orlov Nikita Vasilievich -
Post-graduate Student of the Department “Automobiles and automobile industry”, Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 10.02.2011, принята к опубликованию 01.07.2011
