Analysis of icing of flow channel in vehicle turbochargers

Abstract

The article provides an overview of the possible consequences of icing of flow channel in vehicle turbochargers working in moist air, indicating problem areas exposed to destruction in the process.

Full Text

Практика эксплуатации быстроходных турбокомпрессоров, выступающих в роли расширительных машин (турбодетандеров) показала, что влажный воздух приводит в определенных условиях к обледенению проточной части турбины турбокомпрессора, что вызывает разрушение рабочих лопаток. Проблемами работы турбокомпрессоров, работающих на влажном воздухе, в разные периоды времени занимались: П.Л. Капица, Д.И. Плачендовский, В.И. Ардашев. На рисунке 1 отмечены зоны, в которых происходит разрушение. Зона 1 характеризуется наличием свободной влаги, создающей капельный вихрь на кончиках колеса, что приводит к эрозийному воздействию на сопловой аппарат (СА), вызывая разрушение лопаток, как колеса турбины, так и СА. Зона 2 характеризуется наличием твердой фазы на выходе из колеса турбины, что создает механическое воздействие на основание колеса, что в свою очередь приводит к его разрушению, вызывает низкочастотную вибрацию, снижает КПД, вызывает рост температуры на выходе из турбины. Является источником ледяных пробок в системе. Рисунок 1. Зоны ТК, подверженные разрушению Рисунок 2. На изображении видно, какие области лопаток турбины и СА подвергались разрушению в процессе работы Рисунок 3. На изображении видно разрушение основания лопатки колеса турбины вследствие воздействия твердой фазы В.И. Ардашевым проводились эксперименты по исследованию работы турбокомпрессора, работающего на влажном воздухе. Для эксперимента был выбран турбокомпрессор радиального центростремительного типа конструкции МВТУ им. Баумана со следующими параметрами: Диаметр колеса на входе 0,06 м Ширина колеса на входе 0,0034 м Давление воздуха на входе в турбину 136,5*104 Н/м2 Давление воздуха на выходе из турбины 84,1*104 Н/м2 Температура на входе в турбину 113 К Расход воздуха 0,41 кг/сек Частота вращения ротора 58700 об/мин В результате экспериментов (рисунок 4), проводившихся на описанном выше ТК на влажном воздухе, было выявлено, что количество выпавшей влаги изменяется от режима к режиму от 0 до 2,5 г/кг сух.возд. При появлении капельной влаги в проточной части турбины отмечается колебание частоты вращения ротора, чего не происходило при испытании ТК на сухом воздухе. При этом, если частота вращения превышала 58000 об/мин, колебания числа оборотов заметно возрастают. С разной частотой число оборотов резко снижалось на 3-5 тыс.об/мин, а затем, восстанавливалось до первоначального. Работа ТК при частоте вращения свыше 58000 об/мин возможна, однако при этом сильно увеличивается колебание числа оборотов, а эффективность турбины снижается. На рисунке 4: , где: - температура воздуха на входе в детандер; - тепература воздуха на выходе из детандера; - расчетная температура на выходе при расширении сухого воздуха. , где: ALтех - техническая работа, совершенная одним килограммом рабочей среды в тепловых единицах; ht - располагаемый теплоперепад. Рисунок 4. Влияние количества выпавшего конденсата на адиабатический КПД и температурный коэффициент Kt. При t=27 0C, n=50000 об/мин Цель дальнейшей работы Объективная диагностика момента начала обледенения или момента критических условий, при которых возникает риск обледенения, требуется решение следующих задач: · проведение численных экспериментов по динамике движения газового потока по проточной части лопаточной машины с изменением количества влаги в рабочем воздухе вплоть до начала момента кристаллизации; · термодинамический анализ теплообмена между воздухом и льдом (с учетом теплоты, затраченной на кристаллизацию); · выбор признаков диагностики для обоснования момента ликвидации твердой фазы (льда) в потоке воздуха