Symulacyjne badania koncepcyjne nietypowego silnika turbowałowego pracującego w obiegu termodynamicznym Humphreya

Opis

Monografia prezentuje rozwój koncepcji silnika turbowałowego pracującego zgodnie z obiegiem termodynamicznym Humphreya. Niniejsze badania mają charakter koncepcyjno-symulacyjny. Podstawowym narzędziem badawczym wykorzystywanym w pracy była 3-wymiarowa analiza numeryczna CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). Analizowano przepływ gazów w układzie ruchomych zaworów, proces spalania, rozprężanie gazów, generowanie momentu obrotowego w turbinie, a także chłodzenie silnika. Wyniki symulacji pozwalały przeprowadzić bilans energetyczny dla poszczególnych wariantów silnika, dzięki któremu można było oszacować sprawność energetyczną modelu symulacyjnego silnika. W pracy przedstawiono warianty pośrednie silnika oraz stopniową eliminację jego wad, które doprowadziły do finalnej bardzo obiecującej koncepcji silnika.

Spis treści

Spis podstawowych oznaczeń / 11
Streszczenie / 13
Abstract / 15

1. Wprowadzenie / 17
1.1. Parametry silników spalinowych / 17
1.2. Kierunek rozwoju silników spalinowych / 20
1.3. Cel i zakres pracy / 24
1.3.1. Cel i tezy pracy / 24
1.3.2. Realizacja pracy silnika turbowałowego pracującego w obiegu Humphreya / 25
1.3.3. Zakres pracy / 28

2. Analityczne obliczenia sprawności energetycznej silnika pracującego według obiegu Humphreya oraz porównanie z innymi obiegami / 33
2.1. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Braytona-Joule’a / 33
2.2. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Humphreya / 35
2.3. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Otto / 37
2.4. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Diesla / 38
2.5. Porównanie obiegu Humphreya z obiegiem Braytona-Joule’a, Otto i Diesla / 39
2.6. Porównanie obiegu Humphreya z obiegiem Braytona-Joule’a, Otto i Diesla w funkcji sprężu, z uwzględnieniem niektórych rzeczywistych warunków / 42
2.7. Analiza obiegu Humphreya z uwzględnieniem parametrów pośrednich w komorze podczas rozprężania / 44
2.7.1. Sprężanie / 44
2.7.2. Spalanie / 45
2.7.3. Rozprężanie w dyszy de Lavala przy zmiennym ciśnieniu w komorze / 45
2.7.4. Generowanie pracy mechanicznej oraz sprawność obiegu / 50
2.8. Analiza obiegu Humphreya z uwzględnieniem chłodzenia międzystopniowego / 52

3. Model matematyczny 3-wymiarowej analizy numerycznej CFD / 55
3.1. Wprowadzenie / 55
3.2. Równanie ciągłości płynu / 55
3.3. Równania pędu (Naviera-Stokesa) dla przepływu turbulentnego w wirującym układzie odniesienia / 56
3.4. Równanie energii / 59
3.5. Równanie transportu składników mieszaniny gazów / 60
3.6. Równania reakcji chemicznej spalania / 60
3.7. Równanie transferu promieniowania cieplnego / 61
3.8. Równania ruchu cząstek dyskretnych oraz wymiany masy i ciepła / 62

4. Podstawowe badania koncepcji silnika – ewolucja koncepcji rozrządu / 65
4.1. Rozrząd 1-komorowy z zaworami krążkowymi / 65
4.1.1. Zasada działania rozrządu / 65
4.1.2. Sprężanie zewnętrzne powietrza / 67
4.1.3. Napełnianie komory spalania sprężonym powietrzem / 69
4.1.4. Proces spalania w komorze izochorycznej / 71
4.1.5. Wylot spalin do turbiny (opróżnianie komory, rozprężanie i zasilanie turbiny) / 75
4.2. Rozrząd 2-komorowy z zaworami krążkowymi / 76
4.2.1. Przebieg parametrów termicznych cyklu silnika / 80
4.2.2. Obliczenia sprawności energetycznej silnika / 81
4.3. Rozrząd 4-komorowy z zaworami tarczowymi / 83
4.4. Rozrząd 4-komorowy z zaworem tarczowym i rozdzielonymi dyszami / 85
4.5. Rozrząd 4-komorowy z zaworami klapowymi i rozdzielonymi dyszami / 86
4.6. Rozrząd 4-komorowy z zaworami tarczowymi, rozdzielonymi dyszami i zasilaniem na całym obwodzie turbiny / 88
4.7. Rozrząd 3-komorowy z zaworami tarczowymi i dyszami 2-ciśnieniowymi / 89
4.8. Wirujący rozrząd z 3-ciśnieniowymi dyszami / 92
4.9. Wirujący rozrząd z 4-ciśnieniowymi dyszami / 97
4.10. Urealnienie warunków brzegowych symulacji oraz analiza parametryczna sprawności energetycznej koncepcji silnika turbinowego z zastosowaniem wirującego rozrządu / 100
4.10.1. Spalanie dekanu z uwzględnieniem chłodzenia ścianek komór / 100
4.10.2. Etap przygotowania wysokociśnieniowych spalin / 101
4.10.3. Etap generowania mocy / 106
4.10.4. Przebieg parametrów termicznych podczas cyklu pracy silnika / 108
4.10.5. Optymalizacja kątów napływu spalin i dobór profilu łopatki turbiny / 109
4.10.6. Analiza wrażliwości różnych wartości współczynnika nadmiaru powietrza i sprężu na sprawność silnika / 113
4.10.7. Koncepcja wirującego rozrządu z 3-ciśnieniowymi dyszami i zasilaniem na całym obwodzie turbiny / 114
4.11. Uproszczenie konstrukcji rozrządu z układem dolotu i wylotu gazu po jednej stronie komory / 118

5. Rozrząd z zaworami samoczynnymi / 122
5.1. Rozrząd z zaworami wahadłowymi i grzybkowymi / 122
5.1.1. Model geometryczny rozrządu i zasada działania / 122
5.1.2. Obliczenia prędkości ruchomych elementów zaworów samoczynnych / 124
5.1.3. Opis działania silnika na podstawie wzajemnego położenia ruchomych elementów zaworu wahadłowego i grzybkowego / 127
5.1.4. Model numeryczny i opis warunków brzegowych / 130
5.1.5. Wyniki symulacji pracy silnika / 133
5.1.6. Hamulec gazowy części ruchomej zaworu wahadłowego / 139
5.2. Rozrząd z zaworami tłoczkowymi / 143

6. Rozrząd z wirującymi komorami spalania – finalna koncepcja silnika / 147
6.1. Koncepcja uszczelnienia komór spalania / 147
6.2. Zasada działania finalnej koncepcji silnika / 151
6.3. Schemat silnika oraz dobór turbosprężarek oraz sprężarki mechanicznej / 152
6.4. Model numeryczny oraz wyniki finalnej koncepcji silnika o mocy 1000 kW / 156
6.5. Analiza wrażliwości siatki obliczeniowej / 164
6.5.1. Omówienie aspektów wpływających na dokładność wyników symulacji / 164
6.5.2. Opis różnych siatek numerycznych zastosowanych w symulacji / 167
6.5.3. Porównanie wyników dla trzech różnych siatek obliczeniowych / 172
6.6. Zapewnienie efektywnego napełniania komory świeżym sprężonym powietrzem / 173
6.7. Porównanie modelu spalania Eddy Dissipation z modelem Finite Rate/Eddy Dissipation oraz reakcji spalania jedno- i dwukrokowej / 174
6.8. Wariant silnika o mocy 500 kW / 175
6.9. Wariant silnika o mocy 700 kW / 178
6.10. Wariant silnika o mocy 1700 kW – 6 komór w dwóch rzędach / 179
6.11. Wariant silnika o mocy 1700 kW – 8 komór w dwóch rzędach / 184
6.12. Porównanie sprawności prezentowanej koncepcji silnika z silnikami turbowałowymi dostępnymi na rynku / 186
6.13. Wariant silnika z dodatkowym wzmocnieniem obiegiem parowym / 187
6.13.1. Schemat silnika gazowo-parowego / 188
6.13.2. Parametry obiegu pary / 190
6.13.3. Wyniki obliczeń sprawności silnika / 191

7. Aspekty technologiczne finalnej koncepcji silnika z wirującymi komorami spalania / 193
7.1. Technologiczna koncepcja samonastawnych segmentowych uszczelnień ceramicznych / 193
7.1.1. Zasada działania systemu uszczelnień / 193
7.1.2. Obliczenia pracy tarcia uszczelnień / 195
7.1.3. Zagadnienia technologiczne systemu uszczelnień / 196
7.2. Materiałowo-technologiczna koncepcja konstrukcji układu rozrządu do badań stanowiskowych samonastawnego systemu uszczelnień / 198
7.2.1. Opis modelu projektowanego stanowiska badawczego / 198
7.2.2. Analiza termiczna i dobór materiałów konstrukcyjnych / 201
7.3. Materiałowo-technologiczna koncepcja konstrukcji silnika / 204
7.3.1. Koncepcja konstrukcji silnika / 204
7.3.2. Dobór materiałów konstrukcyjnych oraz wyniki analizy termicznej / 206

8. Zakończenie / 215
8.1. Podsumowanie / 215
8.2. Weryfikacja celu i tez pracy / 216
8.3. Wnioski / 219

Literatura / 223

Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie