Определение теплового состояния элементов турбокомпрессора поршневого двигателя

Форсирование современных поршневых двигателей предусматривает увеличение нагрузки на все его элементы и сопутствующие агрегаты. Турбокомпрессор является одним из самых распространенных агрегатов, обеспечивающих форсирование поршневого двигателя. Увеличение частоты вращения ротора приводит к росту тепловой нагруженности элементов турбокомпрессора. В связи с этим своевременная оценка теплового состояния компонентов трибосопряжения, распределение температуры по валу, корпусу и другим элементам турбокомпрессора является актуальной задачей. Разработан алгоритм расчета теплообмена между элементами турбокомпрессора. Выполнена оценка теплонагруженности радиальных многослойных подшипников скольжения гибкого асимметричного ротора. Моделирование проведено в программном комплексе ANSYS Fluent. Приведены результаты расчета: распределение тепловых полей в корпусе турбокомпрессора и температуры в зоне подшипников скольжения турбины и компрессора. Получены зависимости температур в зоне подшипника от частоты вращения ротора. Верификация результатов расчета выполнена путем сравнения полученных температур в подшипниках скольжения с данными, приведенными в публикациях других авторов. Значения температур во внешнем и внутреннем слоях подшипника являлись исходными данными для расчета динамических свойств ротора турбокомпрессора с учетом тепловых деформаций элементов трибосопряжения. Результаты исследований будут использованы для оценки устойчивости движения ротора, безотказной работы подшипникового узла, а также надежности и долговечности турбокомпрессора в целом.

Литература

[1] Turbocharger Market. alliedmarketresearch.com: веб-сайт. URL: https://www.alliedmarketresearch.com/turbocharger-market (дата обращения: 15.06.2022).

[2] Dziubak T., Karzewski M. Operational malfunctions of turbochargers — reasons and consequences. Combustion Engines, 2016, vol. 164, no. 1, pp. 13–21.

[3] Why do turbochargers fail? garrettmotion.com: веб-сайт. URL: https://www.garrettmotion.com/ru/news/newsroom/article/why-do-turbochargers-fail/#:~:text=Most%20failures%20are%20caused%20by,fitting%20usually%20causes%20oil%20starvation (дата обращения: 15.06.2022).

[4] Romagnoli A., Martinez-Botas R. Heat transfer on a turbocharger under constant load points. ASME Conf. Proc., 2009, paper GT2009-59618, pp. 163–174, doi: https://doi.org/10.1115/GT2009-59618

[5] Deng D., Shi F., Begin L., Du I. The effect of oil debris in turbocharger journal bearings on sub synchronous NVH. SAE Tech. Pap., 2015, art. 2015-01-1285, doi: https://doi.org/10.4271/2015-01-1285

[6] Plantegenet T., Arghir M., Hassini M. et al. The thermal unbalance effect induced by a journal bearing in rigid and flexible rotors: experimental analysis. Tribol. Trans., 2020, vol. 63, no. 1, pp. 52–67, doi: https://doi.org/10.1080/10402004.2019.1658836

[7] Murphy B.T., Lorenz J.A. Case study of Morton effect shaft differential heating in a variable-speed rotating electric machine. Proc. ASME Turbo Expo, 2011, paper GT2011-45228, pp. 257–269, doi: https://doi.org/10.1115/GT2011-45228

[8] Tong X., Palazzolo A. Measurement and prediction of the journal circumferential temperature distribution for the rotordynamic Morton effect. J. Tribol., 2018, vol. 140, no. 3, art. 031702, doi: https://doi.org/10.1115/1.4038104

[9] Polichronis D., Evaggelos R., Alcibiades G. et al. Turbocharger lubrication — lubricant behavior and factors that cause turbocharger failure. Int. J. Automot. Eng. Technol., 2013, vol. 2, no. 1, pp. 40–54.

[10] Serrano J.R., Tiseira A., Garcia-Cuevas L.M. et al. Adaptation of a 1-D tool to study transient thermal in turbocharger bearing housing. Appl. Therm. Eng., 2018, vol. 134, pp. 564–575, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.01.085

[11] Плаксин А.М., Гриценко А.В., Бурцев А.Ю. и др. Продление срока службы турбокомпрессоров автотракторной техники применением гидроаккумулятора в системе смазки. Фундаментальные исследования, 2014, № 6–4, с. 728–732.

[12] Shaaban S. Experimental investigation and extended simulation of turbocharger non-adiabatic performance. Doctoral thesis. Hannover Universität, 2004. 228 p.

[13] Baines N., Wygant K.D., Dris A. The analysis of heat transfer in automotive turbochargers. J. Eng. Gas Turbines Power., 2010, vol. 132, no. 4, art. 042301, doi: https://doi.org/10.1115/1.3204586

[14] Cormerais M., Hetet J.F., Chesse P. et al. Heat transfer analysis in a turbocharger compressor: modeling and experiments. SAE Tech. Pap., 2006, no. 2006-01-0023, doi: https://doi.org/10.4271/2006-01-0023

[15] Burke R.D., Olmeda P., Arnau F. et al. Modelling of Turbocharger heat transfer under stationary and transient conditions. 11th Int. Conf. on Turbochargers and Turbocharging, 2014, pp. 103–112, doi: https://doi.org/10.1533/978081000342.103

[16] Gil A., Omar A.T., Migel L.G. et al. Fast three-dimensional heat transfer model for computing internal temperatures in the bearing housing of automotive turbochargers. Int. J. Engine Res., 2020, vol. 21, no. 8, doi: https://doi.org/10.1177%2F1468087418804949

[17] Лущеко В.А., Хасанов Р.Р., Хайруллин А.Х. и др. Исследование работы элементов турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2017, № 12, с. 20–29, doi: http://dx.doi.org/10.18698/0536-1044-2017-12-20-29

[18] Суворов И.А., Бердников Л.А. Исследование возможности тепловой оптимизации ротора турбокомпрессора с проведением конечно-элементных анализов. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2013, № 4, c. 56–65.

[19] Aghaali H., Angstrom H., Serrano J.R. Evaluation of different heat transfer conditions on an automotive turbocharger. Int. J. Engine Res., 2015, vol. 16, no. 2, pp. 137–151, doi: https://doi.org/10.1177%2F1468087414524755

[20] Aghaali H., Angstrom H. Turbocharged SI-engine simulation with cold and hot-measured turbocharger performance maps. Proc. ASME Turbo Expo, 2012, paper GT2012-68758, pp. 671–679, doi: https://doi.org/10.1115/GT2012-68758

[21] San Andres L.A., Barbarie V., Bhattacharya A. et al. On the effect of thermal energy transport to the performance of (semi) floating ring bearing systems for automotive turbochargers. J. Eng. Gas Turbines Power., 2012, vol. 134, no. 10, art. 102507, doi: https://doi.org/10.1115/1.4007059

[22] Romagnoli A., Manivannan A., Rajoo S. et al. A review of heat transfer in turbochargers. Renew. Sust. Energ. Rev., 2017, vol. 79, pp. 1442–1460, doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.04.119

[23] Zadorozhnaya E., Sibiryakov S., Hudyakov V. Theoretical and experimental investigations of the rotor vibration amplitude of the turbocharger and bearings temperature. Tribol. Ind., 2017, vol. 39, no. 4, pp. 452–459, doi: https://doi.org/10.24874/ti.2017.39.04.04

[24] Шароглазов Б.А., Шишков В.В. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчет процессов. Челябинск, ИД ЮУрГУ, 2011. 525 с.

[25] Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Москва, Энергия, 1977. 344 с.

[26] Menter F.R. Influence of freestream values on k-? turbulence model predictions. AIAA J., 1992, vol. 30, no. 6, pp. 1657–1659.

[27] Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение). Киев, Коминтех, 2005. 365 с.

[28] Герасимов В.В., Монахов А.С. Материалы ядерной техники. Москва, Энергоиздат, 1982. 288 с.

[29] Rene 41. rolledalloys.com: веб-сайт. https://www.rolledalloys.com/alloys/cobalt-alloys/rene-41/en/ (дата обращения: 15.06.2022).

[30] Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Москва, Атомиздат, 1968. 484 с.

[31] Li Y., Liang F., Zhou Y. et al. Numerical and experimental investigation on thermohydrodynamic performance of turbocharger rotor-bearing system. Appl. Therm. Eng., 2017, vol. 121, pp. 27–38, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.04.041

[32] Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф. и др. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. Москва, Машиностроение. 1991. 336 с.