ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ
КлюЄв Олександр Олександрович
УДК 621.63; 625.282
ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ТЕПЛОВОЗіВ УДОСКОНАЛЮВАННЯМ АЕРОДИНАМІЧНОЇ СХЕМИ ОХОЛОДжуючого ПРИСТРОЮ
Спеціальність 05.22.07 – рухомий склад залізниць і тяга поїздів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Луганськ – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі ”Залізничний транспорт” Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент
Могила Валентин Іванович,
Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, директор навчально-наукового інституту рейкового транспорту.
Офіційні опоненти:
Провідна установа: | доктор технічних наук, професор
Куліков Юрій Андрійович,
Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, заступник директора з наукової роботи навчально-наукового інституту транспортних технологій .
кандидат технічних наук, доцент
Фалендиш Анатолій Петрович,
Українська державна академія залізничного транспорту, докторант, м. Харків.
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка Лазаряна Міністерства транспорту України, кафедра “Локомотиви”, м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться “ ” 2004 р. о _____ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний , 20а.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: м. Луганськ, кв. Молодіжний , 20а.
Автореферат розісланий: “ ” 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої Осенін Ю.І.
вченої ради:
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.
У сучасному локомотивобудуванні особлива увага приділяється підвищенню техніко-економічної ефективності тепловозів за рахунок зменшення використання потужності на привід допоміжних систем. Перспективним напрямком зменшення витрат потужності на допоміжні потреби тепловоза є поліпшення аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою тепловозу, наприклад використанням нагнітальної системи з оригінальною конструкцією шахти, що має розвинуту поверхню охолодження й мінімальний аеродинамічний опір шахти охолоджуючих пристроїв.
Актуальність теми. Основну частину локомотивного парку залізниць України складають тепловози. Охолоджуючий пристрій (ОП) рекуперативного типу – невід'ємний елемент теплоенергетичних установок тепловозів. Об’єм охолоджуючого пристрою має 12?18% обсягу машинного відділення, важить 7?9% надвізковой ваги тепловозу, вимагає для свого виготовлення до 2,5 т кольорового металу й споживає 4?7% номінальної потужності дизеля. Найбільше поширення одержали всмоктувальні, нагнітальні й змішані типи, однак нагнітальний тип володіє перевагами, які можливо реалізувати тільки при наявності відповідної конструкції шахти ОП.
Підвищення техніко-економічних показників тепловозу за рахунок зменшення витрат потужності на привід допоміжних механізмів, а саме, на привід вентиляторів ОП, можливо при створенні аеродинамічної схеми ОП тепловозу нагнітального типу, який дозволяє більш ефективно перетворювати динамічний напір, створюваний вентилятором, в енергію тиску, усуненні вихрової зони за втулкою вентилятора та відсутності в безпосередній близькості від вентилятора будь-яких елементів ОП. Тому тема дисертаційної роботи актуальна.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною держбюджетної науково-дослідної роботи ДН-4-96 (№ гос. реєстрації 0196U0021048) “Наукові основи, концепція і теорія створення перспективних конструкцій транспорту з поліпшеними енергетичними й екологічними характеристиками” і роботи ДН-9-03 (№ гос. реєстрації 0204U000154) “Оптимізація основних параметрів охолоджуючих пристроїв локомотивів при проектуванні” кафедри залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є вирішення задачі підвищення техніко-економічних показників тепловозу удосконалюванням аеродинамічної схеми ОП. Досягнення поставленої мети вимагає вирішення таких завдань:
- вибрати напрямок удосконалювання тепловозних ОП;
- створити адекватну математичну модель руху повітряного потоку в шахті ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором;
- розробити, виготовити й випробувати моделі експериментальної шахти ОП нагнітального типу із симетричним розташуванням панелей радіаторів;
- визначити вид залежності розподілу поля швидкостей по панелі радіаторів від геометричних і режимних параметрів в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором;
- оцінити вплив нерівномірності поля швидкостей повітряного потоку на теплорозсіювальну здатність секцій радіаторів в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором;
- виконати розрахунок техніко-економічної ефективності тепловозу в результаті застосування ОП нагнітального типу нової конструкції.
Об'єкт дослідження. Процес руху повітряного потоку в шахті ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором.
Предмет дослідження. Аеродинамічні характеристики повітряного потоку в шахті ОП.
Методи дослідження. Методологічну основу виконаних досліджень складає системний підхід до моделювання аеродинамічних процесів у шахті ОП. Основою для математичних моделей є класичні рівняння аерогідромеханіки (рівняння руху Рейнольдса, рівняння енергії, рівняння нерозривності, рівняння масообміну). Також використовувалися емпіричні залежності й наближені формули, що є припустимим при моделюванні складних турбулентних потоків, які мають місце в шахті ОП.
Проведення та обробка експериментальних досліджень ґрунтувалися на використанні статистичних методів планування й обробки даних. Адекватність математичних моделей доведена експериментально й перевірена за критерієм Фішера.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:
- дістала подальшого розвитку математична модель руху повітряного потоку в шахті ОП тепловозу нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, яка складається з тривимірних рівнянь Рейнольдса, рівняння нерозривності й k-е ?оделі турбулентності для осесиметричного руху з обліком початкових і граничних умов;
- уперше отримано аналітичні залежності розподілу поля швидкостей по висоті панелі секцій радіатора від геометричних (довжина секції радіатора і ступеня дифузорності шахти) і режимних (витрати повітря через шахту ОП) чинників ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, внаслідок чого удосконалено аеродинамічну схему шахти;
- уперше виконана оцінка впливу нерівномірності розподілу повітряного потоку по панелі радіатору на її теплорозсіювальну здатність в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, що дозволило надати рекомендації щодо методики енергетичного разрахунка ОП.
Практичне значення отриманих результатів складається у:
- розроблено й створено дослідний зразок шахти ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, що дозволяє зменшити витрати потужності на привід вентилятора й підвищити надійність його роботи, знизити витрати кольорових металів у конструкціях ОП;
- отримани результати модельних випробувань радіально-кільцевих дифузорів у шахті ОП нагнітального типу, що дозволяє одержати мінімальний аеродинамічний опір дифузорів;
- визначено раціональні поєднання існуючих типових одиниць системи “вентилятор-радіатор”;
- запропоновано варіант модернізації ОП всмоктувального типу нагнітальним типом з радіально-кільцевим дифузором на прикладі тепловозу серії 2ТЕ116 і розрахована економічна ефективність даної модернізації.
Результати досліджень використовуються в ВАТ „ХК „Луганськтепловоз” при модернізації і розробці нових ОП тепловозів, що дозволяє підвищити технічний рівень локомотивів, зменшити обсяг, трудомісткість і вартість дослідницько-конструкторських робіт, знизити будівельні й експлуатаційні витрати.
Особистий внесок здобувача складається у:
- обрано напрямок удосконалювання ОП тепловозів і розроблена аеродинамічна схема ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором [5 - 9];
- розроблено математичну модель осесиметричного руху повітряного потоку в шахті ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, з обліком початкових і граничних умов [3];
- на підставі апріорної інформації отримано вид аналітичної залежності розподілу поля швидкостей повітряного потоку по панелі радіатора [4];
- експериментально перевірена адекватність розробленої математичної моделі руху повітряного потоку й математичної моделі розподілу повітряного потоку по панелі радіатора в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором [2];
- отримано аналітичну залежність розподілу поля швидкостей по висоті панелі секцій радіатора від геометричних і режимних чинників ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором [1]
Апробація результатів. Основні результати дисертаційної роботи було представлено й ухвалено на X і XI Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту” (2000, 2001 рр.), що проводилися у Криму та науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу й наукових співробітників СНУ ім. В. Даля (2000, 2002, 2004 рр.).
Публікації. За темою дисертаційної роботи було опубліковано 9 робіт, із них 5 статей у наукових виданнях затверджених ВАК України, 2 патенти України на винахід та 2 тези доповідей.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків.
Повний обсяг роботи 172 сторінок, з яких 145 сторінок основного тексту, у тому числі 20 рисунків на 13 сторінках та 1 таблиці на 1 сторінці, що цілком займають площу сторінок; списка використаних джерел з 115 на 10 сторінках, 3 додатки на 15 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У вступі подано загальну характеристику роботи, визначено мету й задачі дослідження, показано актуальність і новизну теми, представлено основні напрямки вирішення задачі.
У першому розділі обґрунтовано необхідність підвищення техніко-економічної ефективності показників тепловозу, надано аналіз існуючих аеродинамічних схем шахт ОП, розглянуто напрямки зменшення витрат потужності на привід вентилятора.
Підвищення техніко-економічної ефективності показників тепловозів стало особливо важливо при створенні тепловозів великої секційної потужності, наприклад, ТЕ109, ТЕП70, 2ТЕ121 та інших. Саме тому питання раціонального виконання елементів допоміжних систем і забезпечення їх економічної роботи стали визначальними в діяльності науково-дослідних організацій, галузевих вузів. Значний внесок у розвиток теоретичних і експериментальних методів зменшення потужності, що відбирається на допоміжні нестатки тепловозу, внесли М.І. Білоконь, А.І. Володін, О.Л. Голубенко, В.И.Євенко, П.М. Єгунов, В.П. Єпіфанов, О.С. Захарчук, А.М. Коняєв, Ю.А. Куліков, В.Д. Кузьмич, Н.М. Луков, М.С. Малинов, В.І. Могила, В.М. Новіков, Н.І. Панов, В.П. Теребільников, А.П. Третьяков, Л.С. Туров, В.С. Ткаля, Е.Б. Черток, А.Н. Шелест, В.Д. Шептецулов та інші.
Системи охолодження тепловозних дизелів призначені для відводу тепла в атмосферу від води, масла, а при високих ступенях наддування, і від наддувочного повітря. Охолоджуючі пристрої є одним із самих енергоємних і габаритних елементів системи охолодження тепловозів. ОП складається з панелей радіаторів, воздуховодних каналів, вентиляторної установки з приводом, воздухозаборного й випускного вікна з жалюзі. Представлено конструктивні особливості й класифікацію ОП тепловозів.
Конструкція ОП і його компонування в кузові тепловоза залежать від розміщення силової установки й іншого устаткування. Більшість вітчизняних тепловозів мають ОП усмоктувального типу. ОП тепловоза ТЕ3 є прототипом пристроїв більшості вітчизняних магістральних локомотивів, панелі радіаторів у них розташовані вертикально з двох сторін уздовж бічних стінок кузова.
У Європі й Японії найбільшого поширення одержали ОП усмоктувального аркового й кришового типів (французькі тепловози серії 67000, 72000, японський тепловоз серії DF-50, англійські тепловози фірми “Браш” та ін.), але застосовуються також ОП нагнітального типу, наприклад ВВ88900 (Франція). На тепловозах, виготовлених фірмами США, отримали великого поширення ОП нагнітального й змішаного типу, поряд з іншими типами компонувань. Наприклад, тепловози серії -25, -28, -50 фірми “Дженерал Електрик” обладнані ОП нагнітального типу. Одна із спроб застосування нагнітальної системи в локомотивобудування було розпочато в колишньому СРСР на дизель-поїзді серії ДР-1.
Проведений огляд наукової і технічної літератури виявив, що одним з параметрів, який суттєво впливає на аеродинамічні характеристики шахти, є ступінь підтиснення повітряного потоку n, що визначається відношенням фронту вихідного вікна Fвих до фронту вхідного вікна Fвх. Це відношення у всмоктувальній системі, при найкращому підборі цих параметрів, значно менший одиниці, а в нагнітальній системі це співвідношення більше одиниці. Крім того, вентиляторна установка в ОП нагнітального типу працює на “холодному” повітрі, на відміну від всмоктувального типу, тому густина повітря в першого в 1,1?1,15 разів більше, ніж у другого. Однак для нагнітальної системи характерною є дифузорна течія повітряного потоку з визначеною нерівномірністю повітряного потоку і, як наслідок цього збільшення коефіцієнта аеродинамічних втрат енергії жш у шахті ОП.
Розглянуто напрямки удосконалювання тепловозного ОП і дослідження з аеродинамічних характеристик ОП тепловозів.
У другому розділі запропонована аеродинамічна схема ОП нагнітального типу з використанням у шахті радіально-кільцевим дифузора (рис.1), на даний вид компонування отримані патенти. Основним завданням, яке було розвязано в другому розділі, було одержання аеродинамічних характеристик шахти ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором.
З аналізу апріорної інформації з аеродинаміки дифузорів отримано вид аналітичної залежності розподілу повітряного потоку по висоті панелі радіатора, встановленої у вихідній частині радіально-кільцевого дифузора (рис. 2).
Ідентичність параметрів усіх панелей та їх симетричність розташування щодо осі вентилятора дозволяє розглянути розподіл повітряного потоку для однієї панелі радіаторів. Даний вид розподілу є характерним для конструкцій ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором за умови симетричного розташування панелей радіаторів. Розподіл повітряного потоку по ширині панелі носить лінійний і, що важливо, постійний характер.
Для отримання аналітичного рівняння функції розподілу швидкості потоку z по висоті радіатора y (рис.2), функцію розбили на більш прості складові. З графічного представлення (рис.3), функція z(y) має спочатку “опуклий” характер, а потім “увігнутий”. Наслідок цього переходу – є точка перегину “П”, що розділяє дану функцію на дві криві.
Розподіл повітряного потоку по висоті панелі описується системою рівнянь:
де мінімальне та максимальне значення швидкості повітря;
мінімальне та максимальне значення висоти радіатору;–
константи, причому 0<n<1, a m>1.
Базовими рівняннями, що описують стаціонарну турбулентну течію без урахування масових сил у ОП тепловозу нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором (рис.4), є тривимірни рівняння Рейнольдса для циліндричної системи координат :
й нерозривності,
де осередненні проекції швидкостей;
пульсаційні проекції швидкостей;
- осередненні значення добутку
двох пульсаційних швидкостей;
ефективна турбулентна в'язкість;
густина повітряного середовища;
– радіус.
Осьова симетричність шахти ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором і перевага осьової складової швидкості над радіальною дозволяє перетворити рівняння (2-3) до виду:
Ефективна турбулентна в'язкість прийнята як сума турбулентної динамічної в'язкості й динамічної в'язкості:
де - турбулентна динамічна в'язкість;
- динамічна в'язкість;
- турбулентна кінематична в'язкість;
- кінематична в'язкість.
Для вихрівой течії широке поширення одержала формула Прандтля-Колмогорова, яка єднає турбулентну кінематичну в'язкість , кінетичну енергію турбулентної пульсаційної течії k, і швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентної пульсаційної течії e :
де - емпірична константа турбулентності, що дорівнює 0,09 .
Кінетична енергія турбулентності для осесиметричного руху повітряного потоку k можна представити як:
; (7)
швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентності e
де емпіричні константи .
- швидкість генерації турбулентності, обумовлена як
Таким чином, математична модель осесиметричного руху повітряного потоку у ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором являє собою систему рівнянь (4)-(9).
Теоретичні викладення побудовані на ряді припущень і гіпотез, тому вимагають експериментального підтвердження адекватності розробленої математичної моделі.
У третьому розділі приведено опис конструкції моделі досліджуваної шахти ОП, стендового устаткування, вибір контрольно-вимірювального устаткування, програми й методики експериментальних досліджень.
Метою експериментального дослідження є визначення аеродинамічних характеристик для підтвердження правильності зроблених теоретичних викладень при створенні математичної моделі руху повітряного потоку в шахті ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором і моделі розподілу повітряного потоку по панелі радіатора. Дослідження шахти з радіально-кільцевим дифузором проводилися на універсальному аеродинамічному стенді (рис.5).
Рис.5. Схема експериментальної установки
1 - вимірювальний колектор; 2 - вентилятор наддування; 3 - дросельний пристрій; 4 - сполучний дифузор; 5 - ґрати із сітками; 6 - камера;
7 - модель шахти; 8 - моделі радіаторів.
Використання стенда дає можливість максимально імітувати умови роботи шахти ОП нагнітального типу. Для визначення розподілу швидкості повітряного потоку як функції відгуку) проведений трьохчинниковий експеримент на основі математичного планування експерименту.
Традиційне моделювання радіатора набором дротових секцій не забезпечує повноти подібності моделі й натурного зразка, що приводить до скривлення поля швидкостей повітряного потоку на виході з моделі радіатора, і є джерелом помилок при переносі даних, отриманих на моделі, на натурний зразок. У натурному ОП водоповітряні секції являють собою апарат, що направляє повітряний потік на вході в шахту й характеризується не тільки величиною числа Рейнольдса, обумовленого по середньовитратной швидкості, але і напрямком векторів швидкості. У експериментальному дослідженні використовували моделі секції радіаторів, що складаються з набору сіток, які чергуються просторовими ґратами.
Представлена також методика обробки й перевірки адекватності отриманих аеродинамічних досліджень експериментальної шахти теоретичним дослідженням.
Четвертий розділ присвячено результатам експериментальних досліджень з визначення аеродинамічних характеристик шахти ОП, адекватності математичної моделі руху повітряного потоку в шахті, і розподілу повітряного потоку, їх аналізу й докладній оцінці з обліком висновків математичного моделювання, а також подано розрахунок техніко-економічної ефективності від застосування нового типу аеродинамічної схеми ОП.
Правильність математичної моделі оцінюється ступенем її адекватності процесу, який було описано. Інтегрування отриманої системи рівнянь для конкретних граничних умов являє собою самостійно складну задачу. Ураховуючи це, було написано програмне забезпечення в середовищі прикладних програм MATLAB для чисельного моделювання методом кінцевих різниць систему рівнянь (4)-(9) осесиметричного руху повітряного потоку в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором із
початковими умовами – стаціонарність процесу,
граничними умовами – швидкість на поверхні на нулю,
Результати математичного моделювання аеродинаміки ОП представлені у вигляді ліній струму на рис.6.
Порівняння результатів у всіх перерізах є складним технічним завданням, тому за характерний перетин був прийнятий перетин, на лінії якого встановлені секції радіаторів (рис.7). Адекватність пропонованої моделі оцінена за критерієм Фішера, розрахункове значення якого 2.1 менш табличного 2.9.
На підставі математичного планування експерименту отримано наступне рівняння функції розподілу швидкості повітряного потоку по висоті радіатора:
, (10)
де V – швидкість повітряного потоку в секції радіатора, м/с;
G – витрати повітря через шахту ОП, м3/с;
L – довжина секції радіатора, м;
n – ступінь дифузорності шахти ОП.
Аналіз отриманих результатів показує не задовільну відповідність функції відгуку розподілу повітряного потоку по секціям радіаторів в ОП нагнітального типу з осесиметричним розташуванням секцій радіаторів експериментальним даної (рис.8). Тому наступним шахом досліджень було визначення адекватної аналітичної залежності.
Розподіл повітряного потоку по висоті панелі радіатора (рис.8), у загальному виді, описується залежністю:
Результатом апроксимації функції є вираження
де a, b, c – коефіцієнти експоненціальної залежності.
Для визначення функціонального впливу на коефіцієнти був проведений ряд додаткових експериментів, які показали, що є функцією дифузорності й описуються лінійними рівняннями
Остаточний вид апроксимаційної залежності розподілу швидкості повітряного потоку по висоті панелі радіатора в охолоджуючому пристрої нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, має наступний вид:
де - коефіцієнт масштабу.
Отримана апроксимаційна залежність розподілу повітряного потоку по панелі радіатора (14) дозволяє визначити ступінь впливу нерівномірності розподілу повітряного потоку по панелі радіатора на теплорозсіювальну здатність радіатора.
Рис. 9. Вплив ступеня розширення n і наявності направляючої поверхні на коефіцієнт аеродинамічного опору ? дифузора.
Характеристикою даного впливу є відношення кількості тепла, розсіяного при рівномірному полі швидкостей, і з обліком нерівномірного розподілу швидкості повітря по панелі радіатора. Кількість тепла Q розсіяне радіатором визначається по формулі
де W1 ,W2 – водні еквіваленти поверхні теплообміну по воді й повітрю відповідно, Дж/k; - температурний напір 0С; F2 – площа теплообміну, м2.
Розрахунки, зроблені в пакеті програм Маthсаd чисельним методом, показали, що нерівномірність розподілу повітряного потоку, характерна для шахти ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, порівнянно з рівномірним розподілом повітряного потоку погіршує теплорозсіювальну здатність радіатора не більш ніж на 1%. Тому для обліку погіршення теплорозсіювання радіатора від нерівномірності повітряного потоку по панелям радіатора достатньо 15% запасу по теплопередачі, що рекомендовано методикою розрахунку ОП.
Вибір співвідношень між геометричними параметрами в радіально-кільцевих дифузорах дозволяє одержати мінімальний гідравлічний опір (рис.9). Результати експериментів доводять, що мінімальним опором володіють шахти нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, за умови використання у вихідній частині дифузора однієї направляючої поверхні для ступенів розширення n=1,7?2,5.
Математичне моделювання руху повітряного потоку в шахті ОП дозволило підібрати раціональне сполучення існуючих типових одиниць системи “вентилятор-радіатор”, представлених у табл.1.
Таблиця 1
Раціональне сполучення типових одиниць системи “вентилятор-радіатор”
Техніко-економічна оцінка розробленого охолоджуючого пристрою розглянуто з точки зору економії енергії, що витрачається на привод вентилятора, зміни кількості вентиляторів і кількості секцій радіаторів, а також капітальних витрат на модернізацію тепловоза. Як прототип узято тепловоз 2ТЕ116. Енергетичний розрахунок ОП проектного тепловозу проводився з урахуванням доповненої методики розрахунку. Схеми компонувань базового й проектного ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором представлені на рис.10.
Техніко-економічні показники для базового тепловоза (2ТЕ116) й проектного ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором зведені в табл.2.
а) б)
Рис.10. Схеми компонування охолоджуючих пристроїв
а- базовий (2ТЕ116); б - проект
Таблиця 2
Техніко-економічні показники ОП тепловозів
У результаті застосування проектного ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором на тепловозах типу 2ТЕ116 очікуваний економічний ефект, який за рахунок використання шахти з поліпшеними аеродинамічними характеристиками складає 10.5 тис. грн на секцію на рік (у цінах на 01.08.2003 г).
ВИСНОВКИ
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної для рейкового транспорту наукової задачі поліпшенню техніко-економічних показників тепловозів удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою, використовуючи ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором.
Представлені в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити такі висновки:
1. Підвищення техніко-економічних показників тепловоза можливо удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючих пристроїв тепловозів, а саме використанням у шахті нагнітальній системі радіально-кільцевого дифузора. На даний вид компонування отримані патенти України №33241 і №62898А.
2. Уперше для опису руху повітряного потоку в шахті охолоджуючих пристроїв тепловозу нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, застосована система рівнянь, яка складається з тривимірних рівнянь Рейнольдса, рівняння нерозривності і k-? моделі турбулентності для осесиметричного руху, з обліком початкових і граничних умов. Інтегрування отриманої системи рівнянь зроблено методом кінцевих різностей у пакеті прикладних програм MATLAB.
3. З метою перевірки адекватності математичних моделей проведені експериментальні дослідження аеродинамічних характеристик шахти охолоджуючих пристроїв нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором. Адекватність пропонованої моделі оцінена за критерієм Фішера, розрахункове значення якого 2.1 менше табличного 2.9, тому отримана модель адекватно описує аеродинамічні характеристики осесиметричного повітряного потоку в шахті охолоджуючих пристроїв.
4. Уперше отримані аналітичні залежності розподілу поля швидкостей по висоті панелі секцій радіатора від геометричних і режимних чинників охолоджуючих пристроїв нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором
5. Аналіз експериментальних даних показав, що мінімальний коефіцієнт опору шахти мають охолоджуючи пристрої нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, за умови використання у вихідній частині дифузора однієї направляючої поверхні для ступенів розширення n=1,7?2,5.
6. Спільне рішення рівняння теплопередачі з використанням рівняння розподілу повітряного потоку по панелі радіатора дозволило чисельно визначити, що нерівномірність розподілу повітряного потоку по панелі радіатора характерна для шахти нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, на відміну від рівномірного розподілу повітряного потоку, погіршує теплорозсіювальну здатність не більш ніж на 1%. Тому для обліку погіршення теплорозсіювання радіатора від нерівномірності повітряного потоку по панелям радіатора достатньо 15% запасу по теплопередачі, що рекомендовано методикою розрахунку ОП.
7. Виконаний техніко-економічний розрахунок показників розробленого охолоджуючого пристрою нагнітального типу з осесиметричним розташуванням панелей радіаторів для тепловозу серії 2ТЕ116 показав, що у проектного ОП поверхня охолодження на 10% менше, порівняно з прототипом, при одночасному зменшенні витрат потужності на привод вентиляторів на 6%. Дане зменшення витрат потужності на привід вентиляторів дозволяє підвищити ККД тепловозу на 0,56%.
8. Очікуваний економічний ефект від застосування проектного ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором на тепловозах типу 2ТЕ116 складає 10.5 тис.грн на секцію на рік (у цінах на 01.08.2003 г).
9. Результати дисертаційної роботи використовуються в ВАТ „ХК „Луганськтепловоз” при конструюванні ОП тепловозів і їх модернізації, що дозволило зменшити обсяг, трудомісткість і вартість дослідницько-конструкторських робіт, а також знизити собівартість виготовлення й експлуатаційні витрати.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ
1. Клюев А.А., Могила В.И. Распределение воздушного потока по высоте панели радиатора в охлаждающем устройстве с радиально-кольцевым диффузором // Вісник Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля – 2003. №9(67). – С. 231–233.
2. Могила В.И., Клюев А.А. Некоторые результаты экспериментального исследования модели охлаждающего устройства нагнетательного типа// Вісник Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля – 2002. №3(49). – С. 154-157.
3. Клюев А.А., Могила В.И., Игнатьев О.Л. Математическая модель течения воздушного потока в шахте ОУ нагнетательного типа // Вісник Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля – 2002. №6(52). – С. 184 –188.
4. Клюев А.А., Клюев А.С., Рыбинцева Е.А. Феноменологическая модель распределения поля скоростей воздушного потока по панели радиатора.// Вісник Східноукр. нац. ун-т – 2001. №7(41). – С. 185-187.
5. Могила В.И., Клюев А.А., Тихонюк Г.П. Конструкторско-техноло-гические особенности охлаждающего устройства нагнетательного типа с хордиальной установкой секций радиатора // Вісн. Східноукр. держ. ун-т. – 2000. №7(29). – С. 137-139.
6. Патент України №62898А, МПК 7 В 61С5/02. Охолоджуючий пристрій тепловозу / Могіла В.І., Клюєв О.О., Клюєв О.С. Опубл. 15.12.2003. бюл №12.
7. Патент України №33241А, МПК 6 В 61С5/02. Охолоджуючий пристрій тепловозу / Клюєв О.О., Могіла В.І., Теребільников В.П., Клюєв О.С. Опубл. 15.02.2001. бюл №1.
8. Могила В.И. Клюев А.А., Клюев А.С. Качественное улучшение аэродинамической структуры потока в охлаждающем устройстве нагнетательного типа с хордиальным расположением панелей радиаторов // Тезисы докладов IX международной научно-технической конференции проблемы развития рельсового транспорта”. – Луганск: ВУГУ. – 1999.- С. 27.
9. Могила В.И. Клюев А.А. Охлаждающее устройство нагнетательного типа с хордиальным расположением панелей радиаторов // Тезисы докладов VIII международной научно-технической конференции “Проблемы развития рельсового транспорта”. – Луганск: ВУГУ, – 1998.- С. 33.
АНОТАЦІЯ
Клюєв О.О. “ Підвищення техніко-економічних показників тепловозів удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою”. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.07 – рухомий склад залізниць і тяга поїздів. – Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2004.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі поліпшення техніко-економічних показників тепловозу, застосуванням охолоджуючого пристрою нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором. Дане технічне рішення дозволяє зменшити витрати потужності на привод вентилятора й знизити витрати кольорового металу в конструкціях охолоджуючих пристроїв. На підставі математичної моделі й експериментальних даних визначені раціональні конструкції шахт охолоджуючих пристроїв.
Ключові слова: тепловоз, охолоджуючий пристрій, шахта, радіально-кільцевий дифузор.
Annotation
Kluyev A.A. “The improvement of the technical and economical indices of diesel locomotives by refining air dynamic circuit of the cooling device.” – Manuscript.
Dissertation on awarding the Candidate Degree (Engineering) on speciality 05.22.07. – rolling stock of railways and train traction. – The East-Ukrainian National Dal University, Lugansk, 2004.
The dissertation is devoted to the problem of improving technical and economical indices of diesel locomotives by using the supercharging type of the cooling device with radial and circular diffuser. The presented technical decision allows to reduce the power expenses of ventilator drive and to decrease the non-ferrous metals expenses in cooling devices construction of diesel locomotives. The rational types constructions of the cooling device shafts in the diesel locomotives were defined according to the mathematical model and experimental data.
Key words: diesel locomotive, cooling device, shaft, radial and circular diffusor.
АННОТАЦИЯ
Клюев А.А. “ Повышение технико-экономических показателей тепловозов совершенствованием аэродинамической схемы охлаждающего устройства”. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 – подвижной состав железных дорог и тяга поездов. – Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2004.
Уменьшение затрат мощности на привод вспомогательных механизмов, в частности, на привод вентилятора ОУ является актуальной задачей.
В диссертации проведен обзор различных конструкций охлаждающих устройств и направления уменьшения затрат мощности на привод вентилятора. Анализ перспективных направлений исследований ОУ показал, что координальным способом уменьшения затрат мощности является переход от всасывающих систем охлаждающих устройств к нагнетательным. Однако использование преимуществ нагнетательных систем возможно при устранении воздушного вихря после вентилятора и развитии выходной площади. На основании этого была разработана шахта ОУ нагнетательного типа с радиально-кольцевым диффузором. Охлаждающее устройство содержит жалюзи выпускного окна, радиаторы, радиально-кольцевой диффузор, вентилятор, жалюзи воздухозаборного окна.
Разработана математическая модель движения воздушного потока в шахте охлаждающего устройства нагнетательного типа с радиально-кольцевым диффузором с использованием трехмерных уравнений Рейнольдса и уравнения неразрывности для осесимметричного движения воздушного потока, адаптированной к условиям работы ОУ k-e модели турбулентности. Математическая модель позволяет адекватно определять аэродинамические характеристики воздушного потока шахте ОУ нагнетательного типа с радиально-кольцевым диффузором.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили проверить адекватность математических моделей. Физический эксперимент выполнен с использованием математического планирования эксперимента, подбором критериев подобия характерных для натурного образца.
В результате применения проектного охлаждающего устройства нагнетательного типа с хордиальной установкой секций радиаторов на тепловозах типа 2ТЭ116 ожидаемый экономический эффект, за счет уменьшения количества секций радиаторов и заменой нескольких вентиляторов – одним более мощным, и уменьшением затрат мощности на привод вентилятора составит 10500 грн на секцию.
Результаты диссертационной работы используются в ОАО “ХК “Лугансктепловоз” при разработке охлаждающих устройств и модернизации эксплуатируемых тепловозов, что позволит сократить объем, трудоемкость и стоимость опытно-конструкторских и экспериментальных работ.
Ключевые слова: тепловоз, охлаждающее устройство, шахта, радиально-кольцевой диффузор.
Підписано до друку 26.05.2004 р.
Формат 60Ч84 1/16. Папір офсетний. Гарнітура Times.
Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1,0.
Тираж 100 прим. Вид № 849. Замовлення №______
Видавництво Східноукраїнського національного університету
імені Володимира Даля
91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний , 20а
Дільниця оперативної поліграфії
Східноукраїнського національного університету
імені Володимира Даля
91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а
Адреса редакції: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а
Телефон: 8(0642) 41-34-12. Факс: 8(0642) 41-31-60
E-mail: http://www.snu.edu.ua
