Расчёт и проектирование турбин

Расчёт и проектирование турбин

ООО “Турбоком” сотрудничает с Компаниями Морского и Речного флота РФ, ОАО “Звезда”, ОАО “Коломенский завод”, ООО “Лентрансгаз”, ЗАО НИЦ Керамические Тепловые Двигатели им. А.М. Бойко”, ОАО “Пензадизельмаш”, (“Трансмашхолдинг”) и др.

Результаты использования эксклюзивных компьютерных программ для исследования динамики роторных систем и проектирования виброустойчивых подшипников скольжения опубликованы в журналах “Двигателестроение”, ”Компрессорная техника и пневматика”, “Journal of Vibration and Acoustics ” ASME.
Применение методик “Турбоком” обеспечивает не только восстановление, но и повышение надёжности и ресурса турбокомпрессоров в сравнении с указанными в инструкциях по эксплуатации.

Нашими специалистами поддерживаются следующие направления проектирования и расчёта судовых газотурбонагнетателей, автомобильных и автотракторных турбокомпрессоров и турбин:

(1) Оптимизация систем наддува на основе анализа и согласования характеристик двигателей и турбокомпрессоров для обеспечения требований заказчика по форсировке, снижению расхода топлива и экологическим показателям дизелей.

Колесо центробежного компрессора
Рис.1. Колесо центробежного компрессора

(2) Профилирование колёс центробежных компрессоров для агрегатов наддува дизелей на степени повышения давления до πк=4,5.

Проектирование проводится с использованием результатов многолетних экспериментальных исследований компрессорных колёс турбокомпрессоров. Электронные модели колёс объёмного профилирования создаются на базе современных численных методов.

Инструментарий программного комплекса профилирования ООО “Турбоком” включает:
- 3D интерполяцию рабочих поверхностей колеса на основе кубических параметрических сплайнов с краевыми условиями различных типов,
- проектирование полиномиальных кривых высокого порядка по Эрмиту- Безье,
-визуализацию на экране монитора дифференциальных характеристик (углов касательных, кривизны) поверхностей каналов колеса,
- автоматическое построение входных комок лопаток задаваемой конфигурации.

В качестве примера на рис.1 показана, восстановленная в конструкторском пакете, модель колеса компрессора турбокомпрессора ТК25, спроектированного по заказу ОАО “Пензадизельмаш”. Приведённое на рисунке реактивное колесо имеет загнутые назад лопатки с эллиптическими входными кромками. Вынужденная вибрация и динамические напряжения в материале колеса минимизированы “отстройкой” собственных частот колеса от гармоник возмущающих газовых сил.

(3) Проектирование виброустойчивых подшипников скольжения на основе численного моделирования динамики ротора.

Разработанный в ООО “Турбоком” программный комплекс анализа роторных систем турбокомпрессоров идентифицирован по результатам стендовых испытаний судовых газотурбонагнетателей, тепловозных турбокомпрессоров и турбин дизелей большегрузных и карьерных автосамосвалов.

В программной реализации используются:

- 2D и 3D конечно-элементные модели гибкого ротора и втулок с гироскопическими эффектами.

Рис.2. иллюстрирует “упругую” часть модели роторной системы на примере судового газотурбонагнетателя ГТН R3 с массой 8 кг и скоростью вращения 700 Гц.

Модель ротора газотурбонагнетателя  ГТН R3
Рис. 2. Модель ротора газотурбонагнетателя ГТН R3
Модель опорно-упорного подшипника судового  газотурбонагнетателя  ГТН R3
Рис. 3. Модель опорно-упорного подшипника судового газотурбонагнетателя ГТН R3

- конечноразностные модели слоёв смазки опорных и упорных подшипников и демпферов.

На рис.3. дан разрез опорно-упорного подшипника газотурбонагнетателя R3, иллюстрирующий гидродинамическую часть модели. В левой части рисунка показаны осевые, радиальные и кольцевая канавки для подвода масла. В правой - эпюры давлений на несущих поверхностях втулки в осевом, рабочем и демпферном радиальных слоях смазки.

На рис. 4, 5 показаны мгновенные поля давлений в осевом и связанных (внутреннем и демпферном) слоях смазки подшипника автомобильного турбокомпрессора массой 0,15 кг и скоростями вращения ротора до 3000Гц, втулок – до 700Гц.

Упорный подшипник турбокомпрессора имеет трёхчастную клиновую поверхность с 3-я отверстиями для подвода смазки. Вращающиеся опорные втулки с цилиндрическими рабочими поверхностями (на рис.5 даны их развёртки) снабжены 4 отверстиями для подачи смазки, значения диаметральных зазоров в подшипниках 0,03 -0,06 мм.

Максимумам эпюр давлений отвечают “горячие” цвета, минимумам – “холодные”, давлению подачи смазки - синий цвет.

Давление в упорном  подшипнике автомобильного турбокомпрессора
Рис. 4. Давление в упорном подшипнике автомобильного турбокомпрессора
Давление в связанных радиальных слоях смазки опорного подшипника автомобильного турбокомпрессора
Рис. 5. Давление в связанных радиальных слоях смазки опорного подшипника автомобильного турбокомпрессора

- пошаговые методы интегрирования уравнений движения вращающегося ротора турбокомпрессора в подшипниках скольжения при дисбалансе, осевой и других видах нагрузки ротора,

- частотный и модальный анализ траекторий. Построение форм прецессий ротора турбокомпрессора на масляной плёнке.

Рассчитываются амплитудно-частотные характеристики, реакции, температуры и потери в подшипниках турбокомпрессора. Проводится анализ движения ротора с учётом типовых моделей износа подшипников для оценки пригодности их к дальнейшей эксплуатации.

Роторные системы турбокомпрессоров с подшипниками скольжения, спроектированные с использованием методик ООО “Турбоком, отвечают требованиям виброустойчивости (отсутствие автоколебаний ротора на масляной плёнке), имеют высокую несущую способность, ресурс и малые потери.

(4) 2D и 3D конечно-элементное моделирование теплового, напряжённо-деформированного состояния и вибрации деталей и узлов турбокомпрессоров.

Оптимизация роторных систем турбонагнетателей на основе расчёта собственных частот и форм колебаний, статической и динамической прочности роторов, колёс турбин и компрессоров.

Главные напряжения σ1  в  материале вращающегося  колеса  центробежного компрессора
Рис. 7. Главные напряжения σ1 в материале вращающегося колеса центробежного компрессора
Динамические напряжения на резонансе в материале лопатки с ёлочным замком и бандажной полкой
Рис. 8. Динамические напряжения на резонансе в материале лопатки с ёлочным замком и бандажной полкой
Главные напряжения σ1  в  материале вращающегося колеса осевой турбины с пакетным бандажом
Рис. 9. Главные напряжения σ1 в материале вращающегося колеса осевой турбины с пакетным бандажом

ООО «Турбоком» осуществляет расчет и проектирование судовых газотурбонагревателей, автотракторных и автомобильных турбин и турбокомпрессоров. Благодаря применению новаторских технологий при расчете и проектировании турбин разного назначения становится возможным оптимизировать процессы их производства. Кроме того, наши программы позволяют гарантировать возможность восстановления турбин и турбокомпрессоров, увеличение их надежности и ресурсных характеристик по сравнению с заводскими установками.

Применение методик от «Турбоком» обеспечивает не только восстановление, но и повышение надежности и ресурса турбокомпрессоров в сравнении с указанными в инструкциях по эксплуатации. Специалисты ООО «Турбоком» придерживаются определенной схемы проектирования и расчета турбин и турбокомпрессоров. Схема включает в себя:

  1. Анализ системы наддува и ее оптимизация. Дополнительно осуществляется согласование характеристик двигателей и турбокомпрессоров. Этот этап обеспечивает точное выполнение требований, которые поступают от заказчика. Требования относятся к форсировке, к экологическим параметрам и к снижению расхода топлива.
  2. Проектирование профилированных компрессорных колес турбокомпрессоров:
    • Процесс основывается на многочисленных исследованиях и экспериментах, проводимых нашими специалистами, и осуществляется для оборудования наддува дизелей с определенной степенью повышения давления (до конкретного значения).
    • Для проведения операции используются современные методы исчисления, посредством которых создаются электронные модели компрессорных колес.
    • Процесс профилирования опирается на набор определенных программных инструментов (3D-интерполяция рабочих поверхностей колеса, визуализация разных характеристик колес на мониторе, уточнение геометрии входных кромок лопаток в автоматическом режиме после использования данных определенной конфигурации и т.д.).
  3. Создание проекта виброустойчивых подшипников скольжения. В своей работе специалисты по проектированию на данном этапе опираются на метод моделирования динамики ротора:
    • В основе самого метода лежит специальный программный комплекс, который разработан нашей компанией. Программа базируется на испытаниях, проведенных на реальных судовых газотурбонагнетателях, дизельных турбинах, турбокомпрессорах и т.д.
    • Реализация проекта включает в себя создание 2D- и 3D-моделей ротора и втулок; моделей слоев смазки разных типов подшипников и демпферов; анализ траекторий работы ротора; анализ и использование данных по разным видам нагрузок ротора (вращение в подшипниках скольжения при дисбалансе, осевые нагрузки и т.д.).
    • В этот этап проектирования также включены анализ различных реакций в подшипниках, изменения температур в них, характеристик частоты и амплитуды, работы ротора в ситуациях с износом подшипников и их ремонт.
  4. Конечный этап расчета и проектирования – это создание 2D- и 3D-моделей элементов и узлов турбокомпрессоров в различных рабочих состояниях и в состоянии вибрации. Сюда же относится процесс оптимизации работы роторов в турбонагнетателях, который основывается на расчетах определенных характеристик и параметров турбин и компрессоров (например, прочность роторов или колебание лопаток колёс).

Расчет и проектирование различных турбин в большинстве своем основаны на собственных методиках ООО «Турбоком», что позволяет гарантировать выпуск деталей (подшипников скольжения, например), отвечающих всем техническим требованиям и стандартам:

  • соответствие требованиям по виброустойчивости;
  • соответствие требованиям по несущей способности;
  • соответствие требованиям по экономии ресурсов.

ООО «Турбоком» предлагает воспользоваться уникальными в своем роде методиками расчета и проектирования турбин, турбонагнетателей и турбокомпрессоров для проведения максимально точного расчета технических характеристик, используемых для производства. Результаты экспериментальных исследований и опытов по проектированию виброустойчивых подшипников, турбин, роторных систем и т.д. были нами использованы и для публикаций в прессе – в журналах «Двигателестроение», Journal of Vibration and Acoustics “ASME” и пр.

Нашими услугами уже воспользовались многочисленные компании и партнеры, среди которых:

  • ООО «Лентрансгаз»
  • ОАО «Коломенский завод»
  • ОАО «Пензадизельмаш»
  • ОАО «Звезда»
  • компании морского и речного флота РФ
  • ЗАО «НИЦ «Керамические тепловые двигатели им. А. М. Бойко» и др.