Східноукраїнський державний університет

На правах рукопису

УДК 629.4.048.3

Кузьменко Сергій Валентинович

удосконалення ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМИ ОПАЛЕННЯ І

ВЕНТИЛЯЦІЇ КАБІНИ МАШИНІСТА ЛОКОМОТИВА використанням пристрою аеродинамічного нагріву повітря

05.22.07. - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ - 1999.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі "Автомобілі" Східноукраїнського державного університету Міністерства освіти України

Науковий керівник: | Куліков Юрій Андрійович доктор технічних наук, професор, зав. кафедрою "Автомобілі" Східноукраїнського державного університету.

Офіційні опоненти: | Тартаковський Едуард Давидович доктор технічних наук, професор, "Експлуатація та ремонт рухомого складу" Харківської державної академії залізничного транспорту Міністерства транспорту України.

Грищенко Сергій Георгійович кандидат технічних наук, зам. головного конструктора холдингової компанії "Луганськтепловоз"

Провідна установа: |

Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, Міністерства транспорту України, м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться “2” липня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 Східноукраїнського державного університету за адресою:

348034, м. Луганськ, кв. Молодіжний 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського державного університету за адресою:

348034, м. Луганськ, кв. Молодіжний 20а.

Автореферат розісланий "10" травня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради __________ Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Багатоскладність транспортного процесу, що об'єднує в систему роботу мільйонів людей, розмаїтість машин і механізмів, процесу, безупинного за своєю природою, протяжного в просторі і в часу, вимагає високого ступеня координації праці усіх його учасників, точного урахування фізіологічних і психологічних закономірностей людського організму. У зв'язку з цим на транспорті, і також на залізничному, психологія, фізіологія і гігієна праці набули важливого значення і розвиваються більш інтенсивно, чим в інших галузях народного господарства.

Актуальність теми.

На сучасних локомотивах у опалювально-вентиляційних агрегатах (ОВА) використовуються для обігріву кабіни машиніста трубчасті електричні нагрівачі (ТЕН), електрокалорифери, чи секції радіаторів, залучені до системи охолодження енергетичного пристрою (для тепловозів). Їх застосування в конструкції ОВА спричиняє велику кількість хиб:

- застосування ТЕН і електрокалориферів створює підвищену небезпечність виникнення пожежі, тому що температура їх поверхні при роботі на номінальному режимі досягає 450 - 500 оС; влучення аерозольних часток на розпечену поверхню ТЕН наводить до утворення токсичних продуктів згоряння, що погіршує параметри мікроклімату в кабіні машиніста; високі значення напруги і сили току (110 В, 5А) створюють небезпеку поразки локомотивної бригади електричним струмом;

- застосування радіаторних секцій наводить до необхідності використання кольорових металів (міді, олова, свинцю, цинку), збільшенню трудомісткості виготовлення, шкідливості виробництва; у процесі експлуатації характеристики радіаторів стають нестабільними, вони часто виходять з ладу із-за порушення герметичності; у випадку замерзання теплоносія в радіаторі відбувається повна руйнація секції, яка не підлягає відновленню.

Усунення недоліків, властивих ОВА, що використовуються у цей час на локомотивах, можливе у випадку застосування пристрою аеродинамічного нагріву повітря (ПАН). Нагрів повітря в пристроях такого типу здійснюється за допомогою вентилятора, що перетворює механічну енергію обертів колеса вентилятора в аеродинамічну енергію потоку повітря, яка, у кінцевому рахунку, перетворюється в теплову. Крім цього, він забезпечує подачу повітря з необхідними теплофізичними параметрами в кабіну машиніста без використання допоміжного вентилятора.

Пристрої такого типу екологічно чисті, надійні в експлуатації, пожежо- і електробезпечні, мають набагато більший термін експлуатації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Напрямок досліджень дисертаційної роботи узгоджується з переліком пріоритетних напрямків Міністерства з науки, технології і технічної політики (п. 5 "Екологічно чиста енергетика і технології, що зберігають ресурси"), та є частиною науково-дослідних робіт, які виконує Східноукраїнський державний університет.

Мета і задачі дослідження.

Ціллю досліджень є удосконалення системи опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива за допомогою використання пристрою аеродинамічного нагріву.

Для досягнення цієї мети в роботі вирішені такі задачі:

- проведене обгрунтування можливості створення ПАН для опалення і вентиляції кабіни машиніста локомотива;

- розроблена математична модель процесів, що відбуваються в пристроях аеродинамічного нагріву повітря та враховує вплив основних елементів конструкції на аеродинамічні характеристики ПАН; на підставі математичної моделі складені алгоритм та програма її реалізації на ЕОМ;

- розроблені напрямки можливого удосконалення пристроїв аеродинамічного нагрівання і вибір раціональних геометричних параметрів конструктивних елементів з метою збільшення тепловиробництва і зменшення масогабаритних показників пристрою;

- досліджено на фізичних моделях і натурних зразках вплив основних елементів конструкції на аеродинамічні характеристики ПАН;

- з урахуванням проведених експериментальних досліджень зроблене коригування математичної моделі і перевірена її адекватність;

- на підставі техніко-економічного аналізу з використанням програми реалізації математичної моделі проведений вибір раціональних варіантів пристроїв аеродинамічного нагріву для використання як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в:

- удосконаленні аеродинамічної схеми ПАН, яка підвищує аеродинамічні та енергетичні показники пристрою та дозволяє використовувати його як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива;

- вперше одержаній математичній моделі ПАН, яка дозволяє визначити вплив на його аеродинамічні характеристики геометричних показників конструкції і отримати їх раціональні параметри;

- удосконаленні математичної моделі течії потоку у міжлопатевому каналі колеса відцентрового вентилятора, яка дістала подальший розвиток за допомогою використання чисельного вирішення диференціальних рівнянь, на підставі яких отримане більш коректне вирішення, у порівнянні із існуючими, у виді розподілу швидкості і тиску в міжлопатевому каналі;

- вперше одержаній методиці розрахунку сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі, який є контуром рециркуляції ПАН та забезпечує його максимальну потужність;

- результатах комплексних експериментальних досліджень з визначення параметрів потоку повітря на вході у міжлопатевий канал колеса відцентрового вентилятора і на його виході, що дозволило отримати члени математичної моделі ПАН, яких бракує, а також отримати аеродинамічну характеристику відцентрового вентилятора за допомогою результатів зондування, яка збігається з характеристикою, що одержується за допомогою класичної методики.

Виконана дисертаційна робота дозволяє на основі теоретичних і експериментальних досліджень вирішити задачу вибору раціональної конструкції ПАН для кабіни машиніста локомотива.

Практичне значення одержаних результатів.

Результати теоретичних і експериментальних досліджень, а також програми розрахунку аеродинамічних характеристик ПАН і геометричних показників сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі використовуються в проектних та дослідних підрозділах холдингової компанії "Луганськтепловоз".

Особистий внесок здобувача складається у:

- визначенні напрямків підвищення енергетичних показників ПАН у заданих габаритних розмірах і розробці раціонального варіанта конструкції;

- складанні математичної моделі ПАН та визначенні взаємного впливу геометричних параметрів елементів конструкції пристрою на його аеродинамічні характеристики;

- розробці методики розрахунку сегментного розімкненого тороподібного трубопроводу у тримірному просторі;

- розробці програмного забезпечення та розрахунків аеродинамічних характеристик ПАН на ЕОМ;

- визначенні аеродинамічних параметрів потоку повітря у відцентровому вентиляторі на вході у міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього.

Апробація результатів дисертації.

Основні результати дисертаційної роботи повідомлені, обговорені і схвалені на міжнародних науково-технічних конференціях з проблем розвитку локомотивобудування: на VII конференції в 1997 р. (м. Новочеркаськ, Росія) і на VIII конференції у 1998 р. (м. Алушта, Крим), а також на науково-технічних конференціях СУДУ.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 6 робіт і отриманий патент України. Бібліографічний список опублікованих робіт, що відбивають основні положення дисертації, приведений наприкінці автореферату.

Структура дисертації.

Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, і 2 додатків.

Загальний обсяг роботи 193 сторінок, 53 рисунків, 13 таблиць, 3 додатки на 42 сторінках, список використаних літературних джерел з 56 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі показані актуальність і новизна теми, приведене коло розв'язуваних питань, дана загальна характеристика роботи.

У першому розділі міститься огляд і аналіз санітарно-гігієнічних норм, які пред'являються до мікроклімату кабіни машиніста локомотива. Дано оцінки з припустимих значень температури повітря, його рухомості, запиленню і концентрації шкідливих речовин.

Проблемам досліджень і поліпшень параметрів мікроклімату кабіни машиніста локомотива і пасажирських вагонів присвячені роботи вчених: Е.Д.Бренера, Ю.Б.Бушуйкіна, С.Г.Гріщенка, О.А.Кікнадзе, Б.Н.Кітаева, В.А.Ладиженського, И.Ю.Ломакіна, М.Г.Маханька, Ю.П.Мухіна, Г.И.Осад-чука, С.А.Сапожнікова, Ю.П.Сідорова, Ю.В.Терпетьянца, А.Хенача, М.Шмідта та інших.

Виходячи з викладеного вище, пропонується пристрій аеродинамічного нагріву повітря як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива, який є екологічно чистим, надійним в експлуатації, пожежо- і електробезпечним та має набагато більший термін експлуатації.

На підставі огляду існуючих конструкцій пристроїв такого типу визначено, що вони не можуть бути використані для обігріву і вентиляції кабіни машиніста локомотива, із-за значних габаритних розмірів, що не дозволяють розмістити його на локомотиві. З метою мінімізації геометричних параметрів ПАН зроблено аналіз існуючих нагнітачів повітря, які дозволяють реалізувати максимальну потужність. Виходячи з цього, визначено, що такі характеристики забезпечують відцентрові вентилятори барабанного типу (Ц15-45, Ц14-46).

Проведений аналіз дозволив сформулювати цілі і задачі дійсних досліджень, що приведені вище.

В другому розділі приведені результати теоретичних досліджень робочого процесу в пристрої аеродинамічного нагріву.

Для розрахунку аеродинамічних характеристик відцентрових вентиляторів барабанного типу з великим числом коротких лопаток (які є найбільш досконалими при застосуванні в ПАН) використовуються канальні методи розрахунків.

При розгляді плескатої сталої відносної течії (рис.1) із відносною швидкістю w у міжлопатевому каналі, що обертається з постійною кутовою швидкістю , рівняння прямування виділеного елемента можна записати в такому виді (у проекції на n і s):

; |

(1)

, |

(2)

де p- тиск;

r-

- кут повороту потоку у міжлопатевому каналі;

- дотична напруга між лініями току;

R-

1, 2- кут входу і виходу лопатки, відповідно.

Доповнюючи отримані рівняння умовою сталості витрати у міжлопатевому каналі, яка визначається за формулою:

, | (3)

де b2- ширина колеса,

одержуємо статично визначну систему рівнянь, (1,2,3), що дозволяє визначити розподіл відносної швидкості і тиску в міжлопатевому каналі.

Існуючі варіанти вирішення даних рівнянь проводяться зі значними припущеннями, що не дозволяють коректно описати течію потоку повітря у міжлопатевому каналі.

Виходячи з цих міркувань, система рівнянь (1,2,3) вирішувалася за допомогою чисельних методів. Для цього на міжлопатевий канал була накладена криволінійна ортогональна кінцево-різницева сітка. Рівняння, що описують течію потоку повітря в каналі були представлені в кінцево-різницевій формі. Як граничні умови використовувалися рівномірні розподіли швидкості і тиску уздовж каналу, обумовлені результатами експериментальних досліджень.

У кінцево-різницевому представлені рівняння мають вид: |

(4)

(5)

(6)

Розрахунок течії у міжлопатевому каналі, виконаний відповідно до приведених вище залежностєй, є суттєво ідеалізованим.

Урахування впливу в'язкості робочого середовища, у суміжному шарі на робочій і тильній поверхнях лопатки колеса вентилятора дозволить одержати більш реальну картину течії в міжлопатевому каналі.

Приведена товщина втрати імпульсу суміжного шару при наявності позитивного градієнту тиску визначається співвідношенням

, |

(7)

де - приведена товщина втрати імпульсу;

A, n - константи (n=1, A=0,46 для ламінарної течії; n=4, A=0,016

для турбулентної течії);

- конфузорність (дифузорність) потоку;

Re- число Рейнольдса

У процесі розрахунків визначалися втрати тиску у міжлопатевому каналі, які обумовлені:

- кутом атаки

, | (8)

- тертям

; |

(9)

- дифузорністю |

(10)

- криволінійністю міжлопатевого каналу колеса вентилятора

, |

(11)

а також вхідними елементами відцентрового вентилятора, спіральним корпусом, контурами рециркуляції та споживача, що визначалися за допомогою експериментальних досліджень.

Аеродинамічні характеристики ПАН (потужність, к.к.д.) розраховувалися за відомими залежностями.

Пристрій аеродинамічного нагрівання повинен містити в собі контур рециркуляції з мінімальним аеродинамічним опором. З експериментальних досліджень, що проводилися у третьому розділі дійсної дисертації, визначено, що такі параметри має розімкнений сегментний тороподібний трубопровід, сполучений із вхідним і вихідним перетинами вентилятора. Оскільки геометрична побудова такого трубопроводу є складною задачою, розроблені методика й алгоритм розрахунку цього контуру рециркуляції.

У третьому розділі приведені методика і результати експериментальних досліджень.

Експериментальні дослідження з визначенням аеродинамічних характеристик відцентрового вентилятора і параметрів потоку при вході в міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього проводилися на аеродинамічному стенді з всисаючою камерою. Визначення параметрів потоку на вході в міжлопатевий канал і на виході з нього здійснювалися за допомогою циліндричного пневмометричного насадка.

Дослідженням піддавався відцентровий вентилятор барабанного типу, основні геометричні характеристики якого подані у таблиці1.

Таблиця 1. Основні геометричні характеристики вентилятора Ц14-46

№

п/п | Параметр | Од.

вим. | Значення

1. | Діаметр колеса вентилятора D2 | м. | 0,28

2. | Відносний діаметр входу D1/D2 | - | 0,8

3. | Відносна ширина колеса b2/D2 | - | 0,5

4. | Кут входу лопатки 1 | гр. | 90

5. | Кут виходу лопатки 2 | гр. | 165

6. | Відносне розкриття спірального корпуса A/D2 | - | 0,5

7. | Відносна ширина спірального корпуса B/b2 | - | 0,7

8. | Відносна довжина вихідного перетину C/b2 | - | 0,7

При визначенні параметрів потоку у відцентровому вентиляторі виміри проводилися в чотирьох взаємно перпендикулярних перетинах; при цьому (для кожного перетину) пневмометричний насадок встановлювався чотирьох точках уздовж ширини колеса таким чином, щоб вони лежали в одній плоскості, перпендикулярній осі обертання колеса. Коефіцієнт безрозмірного розходу змінювався від 0 до 2,0.

Користуючись методикою розрахунків просторового трубопроводу, поданого в розділі 2 цієї дисертації, виготовлено і випробувано шість варіантів контурів рециркуляції даної конструкції, що відрізняються значеннями відносного радіуса повороту і кута повороту сегмента.

Дослідження проводилися на аеродинамічному стенді (визначався коефіцієнт місцевого аеродинамічного опору) і безпосередньо на пристрої аеродинамічного нагріву повітря (визначався безрозмірний коефіцієнт потужності відцентрового вентилятора).

Визначення характеристик пристрою аеродинамічного нагріву повітря здійснювалося за допомогою аеродинамічної труби.

У результаті експериментальних досліджень отримані аеродинамічні характеристики досліджуваного вентилятора (рис.2), з яких видно, що характеристика безрозмірного коефіцієнта тиску вентилятора стабільна (=2,7...2.9) у діапазоні від 0,6 до 1,7 і лише при подальшому збільшенні відбувається її монотонне поменшання; безрозмірний коефіцієнт потужності є зростаючою функцією від витрати вентилятора ; ці факти свідчать про можливість підвищення потужності вентилятора за рахунок використання контуру рециркуляції з мінімальним аеродинамічним опором, що дозволяє одержати робочу точку на характеристиці вентилятора з максимальними значеннями витрати і, відповідно, потужності.

З метою уточнення математичної моделі визначалися параметри потоку на вході у міжлопатевий канал колеса вентилятора і на виході з нього, як-от: кути атаки 1 (рис. 3а), кути виходу 2 (рис. 3б), коефіцієнти швидкості w1/u2 (рис.3в) і w2/u2 (рис. 3г),коефіцієнтів місцевих втрат тиску вх (рис. 3д), сп (рис. 3е) вхідної частки і, відповідно, спірального корпуса відцентрового вентилятора.

З експериментальних досліджень отримані усередненні емпіричні залежності для шуканих величин:

; | (12)

; | (13)

; | (14)

; | (15)

. | (17)

; | (16)

За результатами випробувань трьох моделей ПАН визначався коефіцієнт безрозмірної потужності вентилятора і вибраний варіант (рис.4), що забезпечує реалізацію максимальної потужності відцентрового вентилятора. Він являє собою розімкнутий сегментний тороподібний трубопровід, сполучений із вхідним і вихідним перетинами вентилятора.

Випробування контуру рециркуляції на аеродинамічному стенді й в ПАН дозволили визначити вплив геометричних параметрів на коефіцієнт місцевого опору контуру і на параметри потужності вентилятора. Встановлено, що мінімальному аеродинамічному опору (кр=1,7) відповідає контур рециркуляції із відносним радіусом повороту R/D2=0,75...0,8 при куті повороту сегментів трубопроводу відносно друг друга (=6,65о - 7,05о). Даний варіант контуру забезпечує реалізацію максимального безрозмірного коефіцієнта потужності (=6,8). За результатами експериментальних досліджень отримане сімейство аеродинамічних характеристик, що залежить від кута установлення поворотної заслінки, розташованої в контурі рециркуляції безпосередньо за вихідним перетином спірального корпуса.

У четвертому розділі викладені результати розрахунків конструкційних параметрів і режимів роботи ПАН як опалювально-вентиляційного агрегату кабіни машиніста локомотива, а також техніко-економічне обгрунтування доцільності використання пристроїв даного типу на локомотиві.

З розрахунків математичної моделі, відкоригованої результатами експериментальних досліджень було виконано чисельний експеримент з метою визначення раціональних геометричних параметрів відцентрового вентилятора. Як фактори впливу використовувалися такі параметри:

- для колеса відцентрового вентилятора кут входу 1 - (80о...90о), кут виходу 2 - (160о...180о) і відносний діаметр входу - (0,75...0,85);

- для спірального корпуса відносне розкриття спіралі - (0,4...0,6), відносна ширина корпусу - (0,6...0,8).

Як функція відгуку використовувався безрозмірний коефіцієнт потужності вентилятора .

У результаті розрахунків отримані такі залежності для робочого режиму:

- для колеса відцентрового вентилятора |

(17)

де x1=(1-85)/5; x2=(2-170)/10; x3=(-0,85)/0,05;

- для спірального корпуса

, | (18)

де x1=(-0,5)/0,1; x2=(-0,7)/0,1.

З цих залежностей, за допомогою визначення похідних для рівнянь (17,18), отримано, що раціональні геометричні параметри колеса відцентрового вентилятора 1=87о, 2=177о, =0,83 і спірального корпуса =0,5, =0,7. Вони дозволяють отримати максимальне значення потужності ПАН (=7,3).

За допомогою математичної моделі були отримані аеродинамічні характеристики ПАН з раціональними параметрами елементів конструкції, які показані на рис.5, де також приведені характеристики відцентрового вентилятора Ц14-46. Порівнюючи ці характеристики можна визначити, що:

- розроблена математична модель є адекватною, тому що розбіжність між розрахунковими та експериментальними аеродинамічними характеристиками цього вентилятора не перевищує 4%;

- застосування відцентрового вентилятора з раціональними геометричними параметрами дозволяє підвищити на 15% потужність ПАН.

Як базова модель був прийнятий тепловоз 2ТЭ121, з яким проводилося зіставлення характеристик ПАН.

Виходячи з формул перерахунку аеродинамічних характеристик вентиляторів і аналізу шумових характеристик відцентрового вентилятора можна визначити, що для заданої потужності ПАН треба використовувати максимально можливий діаметр колеса відцентрового вентилятора, а потім визначати потрібну частоту обертів колеса вентилятора.

На підставі цих рекомендацій вибраний діаметр колеса вентилятора складає D2=310 мм.

Для базового тепловоза максимальні тепловтрати при температурі навколишнього середовища -30 оС і температурі повітря в кабіні машиніста +20 оС складають 6,67 кВт. Для даних значень діаметра колеса вентилятора, виходячи з конструкційних потреб, необхідної теплової потужності й отриманого безрозмірного коефіцієнта потужності пристрою аеродинамічного нагрівання частота обертів колеса відцентрового вентилятора повинна складати 1500 об/хв.

Рівень шуму працюючого устрою аеродинамічного нагрівання в перетині вихідного колектора складає 74 дБ, що відповідно з ГОСТ 12.2.056-81 "Електровози і тепловози колії 1520 мм" є припустимим.

При експлуатації ПАН на локомотиві слід використовувати регульований за частотою обертів електропривод з метою економічної зміни аеродинамічних характеристик пристрою.

Економічний ефект від впровадження пристрою аеродинамічного нагріву повітря як опалювально-вентиляційного агрегату складає 1400 гривень на одну секцію тепловоза.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

6.

1.

1.

1.

Технічні показники розробленого пристрою аеродинамічного нагріву повітря дозволяють рекомендувати його для застосування як опалювально-вентиляційний агрегат кабіни машиніста локомотива.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ

ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Куліков Ю.А., Кузьменко С.В., Кущенко О.В. Дослідження закономірностей і оптимізація параметрів аеродинамічного перетворення механічної енергії в теплову в екологічно чистих пристроях обігріву. //Вісник Східноукраїнського державного університету. Видавництво СУДУ. Серія Транспорт, 1996. - с. 171-175.

2.

1.

1.

1.

1.

1.

АНОТАЦІЯ

Кузьменко С.В. Вдосконалення пристрою обігріву і вентиляції кабіни машиніста локомотива шляхом використання пристрою аеродинамічного нагріву повітря. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - рухомий склад залізниць та тяга поїздів. Східноукраїнський державний університет. Луганськ, 1999.

Дисертація присвячена удосконалення системи опалення і вентиляції при застосуванні пристрою аеродинамічного нагріву повітря як опалювально-вентиляційного агрегату. Дисертація містить теоретичне обгрунтування й експериментальне підтвердження ефективності розробленого пристрою. Розроблена математична модель розрахунків аеродинамічних характеристик пристрою, на підставі яких визначені раціональні геометричні показники пристрою, що дозволяють підвищити його потужність в заданих габаритних розмірах. Пристрої такого типу екологічно чисті, надійні в експлуатації, пожежо- і електробезпечні, мають набагато більший термін експлуатації.

Ключові слова: локомотив, кабіна машиніста, опалюваня, вентиляція, аеродинаміка, відцентровий вентилятор, аеродинамічні характеристики.

SUMMARY

Кuzmenko S.V. Perfection the system of heating and ventilation a locomotive cab by use the device of aerodynamic heating air.

.Thesis for a candidat's degree by speciality 05.22.07 - rolling stocks and train traction. East Ukrainian state university. Lugansk, 1999.

The dissertation is devoted to research ways of perfection a system of heating and ventilation at use as the heating-ventilating unit of the device of aerodynamic heating air. The dissertation contains theoretical and experimental confirmation of efficiency of the developed device. The mathematical model of account of the aerodynamic characteristics of the device is developed, with which help the rational geometrical parameters of the device are determined, that allows to increase its capacity in the given overall dimensions. The devices of such type ecologically clean, reliable, have the much more period of operation.

Keywords: locomotive, cabin, heating, ventilating, aerodynamic, centrifugal fan, aerodynamic characteristics.

АННОТАЦИЯ

Кузьменко С.В. Совершенствование устройства обогрева и вентиляции кабины машиниста локомотива путем использования устройства аэродинамического нагрева воздуха.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов. Восточноукраинский государственный университет. Луганск, 1999.

Диссертация посвящена вопросам совершенствования системы отопления и вентиляции кабины машиниста локомотива.

В существующих отопительно-вентиляционных агрегатах (ОВА) для нагрева воздуха, как правило, используются трубчатые электрические нагреватели, электрокалориферы, секции радиаторов. Их применение влечет за собой множество недостатков, связанных с повышенной пожаро- и электроопасностью, использованием остродефицитных цветных металлов, большой трудоемкостью и себестоимостью изготовления.

Применение устройств аэродинамического нагрева воздуха (УАН) позволяет избавиться от перечисленных недостатков. Исполнительным механизмом нагрева воздуха является вентилятор, преобразующий механическую энергию вращения колеса вентилятора в аэродинамическую, которая, вследствие диссипации, преобразуется в тепловую энергию. Помимо этого, УАН обеспечивает самостоятельную подачу в кабину машиниста как нагретого воздуха (режим отопления), так и воздуха с атмосферными теплофизическими параметрами (режим вентиляции). Данное устройство является более безопасным, надежным в эксплуатации и экологически чистым.

В диссертации проведен обзор аэродинамических характеристик вентиляторов, которые принципиально могли бы использоваться в УАН, из которого определено, что рациональным нагнетателем следует считать центробежный вентилятор с колесом барабанного типа (типа Ц14-46, Ц15-45), заключенным в спиральный корпус, из-за высоких значений безразмерных коэффициентов мощности при относительно небольших габаритных размерах.

В диссертации разработана математическая модель устройства аэродинамического нагрева воздуха, при использовании его в качестве отопительно-вентиляционного агрегата кабины машиниста. Она учитывает влияние основных геометрических параметров на его аэродинамические характеристики, таких как угол входа и угол выхода лопатки, относительный диаметр колеса центробежного вентилятора, относительное раскрытие и ширина спирального корпуса, относительный радиус и угол поворота элементов разомкнутого сегментного торообразного контура рециркуляции.

С целью определения аэродинамических характеристик использовался канальный метод расчета параметров потока воздуха в межлопаточном канале колеса центробежного вентилятора, который был усовершенствован при учете влияния вязкости рабочей среды. Решение дифференциальных уравнений осуществлялось с помощью конечно-разностных методов, в результате чего получено распределение относительной скорости и давления в межлопаточном канале. Разработана методика расчета геометрических параметров контура рециркуляции, обеспечивающего минимальное аэродинамическое сопротивление и максимальную мощность УАН.

С целью определения параметров, необходимых для уточнения математической модели и проверки ее адекватности проводились экспериментальные исследования, направленные на определение аэродинамических характеристик центробежного вентилятора на режимах, близких к его работе в УАН; параметров потока на входе и на выходе из межлопаточного канала колеса центробежного вентилятора с помощью прямого зондирования; рациональной формы контура рециркуляции, обеспечивающей максимальную мощность моделей устройства аэродинамического нагрева воздуха и оптимизации геометрических параметров разомкнутого сегментного торообразного контура рециркуляции натурного образца УАН.

На основании теоретических и экспериментальных исследований был проведен математический эксперимент, позволивший определить рациональные параметры конструкции, которые повышают мощностные характеристики УАН.

Проведенный комплекс мероприятий позволил получить необходимые аэродинамические и шумовые характеристики, а также габаритные показатели устройства аэродинамического нагрева воздуха, делающие возможным его использование на подвижном составе железных дорог для отопления и вентиляции кабины машиниста локомотива

Ключевые слова: локомотив, кабина машиниста, отопление, вентиляция, аэродинамика, центробежный вентилятор, аэродинамические характеристики.