АСПЕКТЫ R&D НПО «ТУРБОТЕХНИКА»


Повышение прочности колеса компрессора турбокомпрессора транспортного ДВС

При проектировании агрегатов наддува выполняется множество расчетных исследований, в число которых входит прочностной расчет деталей турбокомпрессора. Примером может служить проведенный для одного из проектов программы научно-исследовательских работ НПО «Турботехника» FEM-анализ прочности рабочего колеса турбокомпрессора размерности ТКР-5 с сопоставлением результатов расчета и экспериментальных данных. Авторами исследования подготовлено заключение о допустимых окружных скоростях на колесе компрессора в эксплуатации и рекомендованы способы повышения прочности колеса.

Для современных турбокомпрессоров (ТКР) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортного назначения характерно увеличение окружных скоростей на внешнем диаметре колеса компрессора. Это обусловлено увеличением среднего эффективного давления цикла и, соответственно, удельной мощности двигателей. Отсюда увеличение необходимой степени повышения давления в компрессоре ТКР, частоты вращения ротора и окружной скорости колеса компрессора.

Дополнительное увеличение частоты вращения ротора ТКР и окружной скорости связано с требованием сохранения мощности ДВС на высоте 1500 м над уровнем моря. Необходимо сохранить постоянный расход воздуха через двигатель при снижении давления на впуске, что опять же приводит к увеличению степени повышения давления в компрессоре.

Также увеличение частоты вращения ротора ТКР может быть связано с особенностями работы системы рециркуляции отработавших газов (EGR). При подъёме транспортного средства на высоту, при снижении температуры окружающего воздуха возможно уменьшение количества рециркулируемого газа вплоть до полного прекращения рециркуляции. Учитывая, что количество рециркулируемого газа может составлять до 25…30% от его полного расхода, при прекращении рециркуляции на такую же величину увеличивается расход воздуха через компрессор. Рабочая точка совместной работы компрессора ТКР и двигателя при этом смещается в сторону запорной границы характеристики компрессора, что также ведёт к росту частоты вращения ротора ТКР и окружной скорости колеса компрессора.

При моделировании указанных условий при стендовых испытаниях двигателя 4ЧН10,5х12,8 производства ПАО «Автодизель», укомплектованного последовательно 2-мя турбокомпрессорами ТКР 5 производства АО «НПО «Турботехника» получены следующие результаты по частоте вращения ротора ТКР и окружной скорости на колесе компрессора:

– Нормальные условия, H = 0 м

nР MAX = 186600 об/мин, uК2 = 527,6 м/с.

– Имитация горных условий, H = 1500 м

nР MAX = 207900 об/мин, uК2 = 587,8м/с.

– Прекращение работы системы EGR

nР MAX = 207500 об/мин, uК2 = 586,7м/с.

При совместном моделировании горных условий и прекращении рециркуляции отработавших газов произошло разрушение раб. колеса компрессора от центробежной нагрузки при частоте вращения ротора ТКР 219400…238600 об/мин (окружная скорость колеса 622,0…674,6 м/с).

Окружная скорость на внешнем диаметре колеса компрессора ТКР является общепринятым критерием его прочности под действием центробежной нагрузки. На сегодняшний день допустимой для алюминиевого сплава АК9ч (АЛ4) или АК5Мч считается окружная скорость 500 м/с. Сопоставление этой величины и результатов испытаний показывает с одной стороны, необходимость учёта условий эксплуатации транспортного средства при проектировании системы наддува с тем, чтобы окружная скорость колеса компрессора не превышала допустимых значений по центробежной нагрузке при всех условиях, с другой стороны, необходимость уточнения допустимых значений окружной скорости, т. к. разрушение колёс при испытаниях произошло при окружных скоростях более 620 м/с.

Для оценки напряжённо-деформированного состояния колеса компрессора турбокомпрессора размерности ТКР 5 производства АО «НПО «Турботехника» под центробежной нагрузкой выполнен расчёт на прочность с учетом пластических деформаций и анализ допустимости работы колеса при различных окружных скоростях.

Колесо компрессора представляет собой монолитное тело, состоящее из основания диска, длинных и коротких лопаток в количестве 14 штук. Твердотельная модель получена в пакете CreoParametric 2.0 [4]. Расчёт выполнен методом конечных элементов. Закрепление модели сделано по поверхности внутреннего отверстия и по торцу задней поверхности диска колеса. Внутренний диаметр колеса компрессора закреплен при помощи ограничения смещения с закреплением углового перемещения относительно цилиндрической системы координат; поверхность соединения колеса компрессора с маслоотражателем закреплена при помощи ограничения смещения с ограничением углового и осевого перемещения относительно цилиндрической системы координат.

Построение сетки производилось при помощи стандартного модуля «Meshing» с использованием автоматической генерации сетки с установками по умолчанию, кроме максимального размера ячейки – 0,5 мм. На внутреннем диаметре, радиусах скругления лопаток и поверхности диска выполнено сгущение сетки путем ограничения размера ячейки на поверхности – 0,3 мм. В результате построена тетраэдрическая сетка (неструктурированная сетка) с количеством конечных элементов в модели 485089. Для определения линейных упругих свойств материала задан модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Пластичность материала учитывается через нелинейную модель материала, заданную при помощи полилинейной изотропной модели (Multilinear Isotropic Hardening). Командой Rotational Velocity задано вращение всей модели относительно оси с заданной частотой. На первом этапе задается линейное изменение частоты вращения от нуля до заданного значения, на втором этапе частота вращения уменьшается до нуля по линейному закону. Расчеты проведены при частотах вращения колеса, соответствующих окружным скоростям 400, 500, 550, 620 м/с.

Материал колеса компрессора – ZL105A (аналог – алюминиевый сплав АК5Мч/АЛ5-1). Механические свойства материала колеса компрессора определены по результатам испытаний 6-ти образцов, вырезанных из заготовок колёс ТКР 10, изготовленных из того же материала и по той же технологии. Изготовить образцы из колёс ТКР 5 не представилось возможным из-за малых размеров. Испытания проведены при температуре 200С.

Физико-механические свойства материала по результатам испытаний: Плотность материала – 2710 кг/м3; Модуль Юнга в области упругости – 68497 МПа; Коэффициент Пуассона в области упругости – 0,33; Предел текучести – 237 МПа; Предел прочности – 316 МПа.

Конструктивные параметры колеса компрессора: диаметр колеса компрессора на входе – 42 мм; диаметр колеса компрессора на выходе – 54 мм.

Произведены расчёты напряжений при частотах вращения колеса, соответствующих окружным скоростям 400, 500, 550, 620 м/с. На рис. 1 представлены результаты расчета напряжений (по Мизесу) на колесе компрессора для окружной скорости 620 м/с. Окружная скорость 550 м/с определяется максимальной окружной скоростью (частотой вращения ротора) по техническим условиям на турбокомпрессор. Окружная скорость 620 м/с определена по результатам испытаний на разрыв колеса компрессора, как предельно допустимая по условиям прочности.

uК2 = 620 м/с (nР = 219280 об/мин)

Рис. 1. Распределение напряжений по Мизесу

Можно отметить, аппроксимируя значения максимальных напряжений по окружной скорости, что напряжения выше предела текучести наблюдаются при окружных скоростях выше 433 м/с. До этого режима колесо работает в упругой области.

Зона пластических течений при окружных скоростях колеса до 550 м/с локализована вокруг центрального отверстия вблизи задней поверхности диска колеса. На режиме 550 м/с напряжения на поверхности диска колеса приближаются к пределу текучести.

Максимальные напряжения на всех режимах не превышают предела прочности материала. Но при окружной скорости 620 м/с значения максимальных напряжений приближаются к пределу прочности, и наблюдаются зоны пластических течений на задней поверхности диска колеса.

Остаточные пластические деформации после снятия нагрузки на режимах до окружной скорости 550 м/с также локализованы вокруг центрального отверстия вблизи задней поверхности диска колеса.

При окружных скоростях выше 550…620 м/с появляются развитые зоны пластических деформаций на диске колеса. На рис. 2 представлены пластические деформации для окружной скорости 620 м/с.

uК2 = 620 м/с (nР = 219280 об/мин)

Рис.2. Остаточные пластические деформации колеса после снятия нагрузки

В [1,2] указано, что пластические деформации (вращающихся дисков), появляющиеся после нагружения, в дальнейшем не увеличиваются, вследствие упрочнения материала, если нагрузка не превышает приложенную.

В соответствии с [1,3] условием прочности колеса является достижение предела прочности материала. Результаты расчёта показывают, что разрушение колеса должно происходить в интервале окружных скоростей 620…650м/с. Это хорошо согласуется с результатами испытаний турбокомпрессоров НПО «Турботехника» на разрыв колёс компрессора, в том числе в данном случае при испытаниях ТКР 5 в составе двигателя при имитации горных условий и отключении системы рециркуляции отработавших газов.

Существенное значение имеет изменение диаметра внутреннего отверстия колеса под действием центробежной нагрузки. Этим определяется сохранение посадки колеса на валу ротора и вероятность разбалансировки ротора ТКР. Существующий для ТКР 5 допуск на посадку колеса компрессора на ротор составляет 0–0,012 мм (скользящая посадка).

По результатам расчёта на режиме 550 м/с максимальное увеличение диаметра внутреннего отверстия в области упругих деформаций составило ~ 0,009 мм, в зоне пластичности ~ 0,018 мм. На режиме 620 м/с максимальное увеличение диаметра внутреннего отверстия составило в области упругих деформаций ~ 0,012 мм, в зоне пластических деформаций ~ 0,032 мм. Целесообразно увеличение натяга в сопряжении для повышения надёжности сопряжения.

Выводы

Результаты выполненных исследований позволяют сформулировать следующие выводы:

– До окружной скорости на колесе компрессора ~ 433 м/с максимальные напряжения в материале колеса не превышают предела текучести.

– До окружной скорости ~ 550 м/с область пластических деформаций локализована вблизи центрального отверстия с задней стороны диска колеса и не оказывает существенного влияния на прочность колеса.

– При окружных скоростях более 550 м/с развиваются области пластических деформаций на диске колеса. В диапазоне 620…650 м/с максимальные напряжения достигают предела прочности, что соответствует разрушению колеса.

– Результаты, полученные при расчёте с заданием механических характеристик материала, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

– Допустимая окружная скорость на внешнем диаметре колеса компрессора турбокомпрессора ТКР 5 составляет 550 м/с, что соответствует частоте вращения ротора 194253 об/мин. Целесообразно увеличить плотность посадки колеса компрессора на ротор для компенсации увеличения диаметра центрального отверстия под действием центробежной нагрузки.

Литература

  1. Демьянушко И. В., Биргер И. А. Расчёт на прочность вращающихся дисков. М.: «Машиностроение», 1978. 247 с.

  2. Биргер И.А., Шор Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: «Машиностроение», 1993.

  3. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. 10-е издание, перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999

  4. Creo Parametric 2.0 – Advanced Primer/ Exercise Guide.

Авторы исследования:

И.Н. Григоров

В.Н. Каминский, доктор технических наук, профессор

Р.В. Каминский, кандидат технических наук

С.В. Сибиряков

Т.И. Терегулов, кандидат технических наук

#RD #Турботехника

РЕЖИМ РАБОТЫ

ПН – ПТ    08:00 – 17:00

ОБЕД        12:00 - 13:00

Материалы сайта защищены авторским правом. Копирование только с разрешения администрации сайта. За нарушение авторских и смежных прав наступает гражданская, уголовная и административная ответственность в соответствии с законодательством РФ

© 2020 АО "ТУРБОКОМПЛЕКТ"    |   WWW.KAMTURBO.RU