Экспериментальное исследование расхода масла через подшипник ТКР при варьировании величины входного давления и оборотов вала ротора турбокомпрессора при постоянной температуре входного масла Рвх = 50 °С
Experimental study of oil flow through the turbocharger bearing with varying input pressure and turbocharger rotor shaft speed at a constant input oil temperature Rvh = 50 °С

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

автотракторный двигатель, турбонаддув, подача, давление, расход, температура, контроль, autotractor engine, turbocharging, supply, pressure, flow, temperature, control

АННОТАЦИЯ

Авторы: Гриценко Александр Владимирович, Патов Артем Германович, Сажаев Олег Геннадьевич, Бурцев Александр Юрьевич, Шайкемелов Адиль Амандыкович

На сегодняшний день тенденции автотракторостроения направлены на обеспечение высоких удельных показателей двигателей внутреннего сгорания. В этой связи особую актуальность приобретает установка системы турбонаддува. Вместе с тем, применение турбонаддува несет в себе ряд существенных недостатков: увеличение температурных и силовых нагрузок, увеличение уровня шума и вибраций, высокие требования к качеству моторного масла и топлива, а также к режимам технического обслуживания. Кроме того, газотурбинные двигатели внутреннего сгорания требуют существенных навыков от водителей-операторов. Преодолеть перечисленные недостатки позволяет установка автономной смазочной системы с независимым электроприводом электронасоса системы смазки. Данная система позволит контролировать температурные режимы при любых возможных условиях эксплуатации. Целью является экспериментальное исследование расхода масла через подшипник ТКР при варьировании величины входного давления и оборотов вала ротора турбокомпрессора при постоянной температуре входного масла Р_вх = 50 °С. В теоретической части исследований проведен анализ шести уравнений расхода масла через подшипники турбокомпрессора: Рейнольдса, Лэмба, Петрусевича, Ляпунова, Стерлинга и Гюгонио. Преимущество следует отдать выражениям, позволяющим определять расход масла через подшипники турбокомпрессора с учетом малых и средних значений эксцентриситета вала – рекомендуется использовать формулу Петрусевича. Для расчета параметров процесса смазки для подшипников турбокомпрессора с любым эксцентриситетом могут быть применимы формулы Ляпунова и Гюгонио. Для всех шести уравнений вычислены производные и установлены выражения для расчета чувствительности расхода масла к частоте вращения вала ротора турбокомпрессора n, мин–1 и величине давления масла на входе в подшипник турбокомпрессора Р_вх, МПа. В методической части статьи представлена автономная система смазки и экспериментальный стенд. Также показан турбокомпрессор с установленными на него датчиками и измерительными устройствами. Для обработки экспериментальных данных выбрана программа SigmaPlot и составлена матрица многофакторного эксперимента. В результате экспериментальных исследований получены точечные данные контроля расхода масла через подшипник турбокомпрессора в пределах варьирования n = 25 000…75 000 мин^–1, Р_вх = 0,1…0,4 МПа и Т_вх = 50 °С. Построен трехмерный полигон экспериментальных данных, который описан четырьмя уравнениями регрессии, наибольшую достоверность аппроксимации данных дают модели Гаусса и Лоренца – R² = 0,997. Анализ чувствительности расхода масла через подшипник турбокомпрессора к давлению масла на входе в подшипник показывает на условие непрерывного роста самой величины расхода масла – 0,0188 л/с < 0,0242 л/с < 0,0321 л/с, так и величины чувствительности 0,062 (л/с)/МПа < 0,080 (л/с)/МПа < 0,107 (л/с)/МПа. Полученное условие говорит о высокой компенсаторной способности и адаптивности системы смазки под увеличивающийся скоростной режим. Анализ чувствительности расхода масла через подшипник турбокомпрессора к частоте вращения вала ротора турбокомпрессора показывает на условие непрерывного роста самой величины расхода масла – 0,001 л/с < 0,0055 л/с < 0,0143 л/с, так и величины чувствительности 0,00000002 (л/с)/мин^–1 < 0,00000011 (л/с)/мин^–1 < 0,000000286 (л/с)/мин^–1. Данное условие говорит об эффективном действии механизма динамического подпора от роста величины давления на входе в подшипник ТКР. Чем больше величина давления на входе подшипника, тем больше прокачиваемость масла. В практике эксплуатации можно использовать высокое компенсаторное свойство механизма увеличения давления для повышения границ эффективности смазывания подшипника турбокомпрессора.

Abstract:

NAME: Experimental study of oil flow through the turbocharger bearing with varying input pressure and turbocharger rotor shaft speed at a constant input oil temperature Rvh = 50 °С
AUTOR: Gritsenko Aleksandr Vladimirovich, Patov Artem Germanovich, Sazhaev Oleg Gennadievich, Burtsev Aleksandr Yurevich, Shaikemelov Adil Amandykovich

Today, trends in automotive engineering are aimed at ensuring high specific indicators of internal combustion engines. In this regard, the installation of a turbocharging system is of great importance. At the same time, the use of turbocharging has some significant disadvantages: increase of temperature and power loads, increase of noise and vibration levels, high requirements for the quality of engine oil and fuel, as well as for maintenance modes. In addition, gas turbine internal combustion engines require significant skills from drivers-operators. The installation of an autonomous lubrication system with an independent electric drive of the electric pump of the lubrication system allows overcoming these disadvantages. This system will allow you to control temperature conditions under any possible operating conditions. The objective is to experimentally study the oil flow through the turbocharger bearing with varying inlet pressure and turbocharger rotor shaft speed at a constant inlet oil temperature of R_vh = 50 °C. In the theoretical part of the study, six equations of oil flow through the turbocharger bearings were analyzed: Reynolds, Lamb, Petrusevich, Lyapunov, Stirling and Hugoniot. Preference should be given to expressions that allow determining the oil flow through the turbocharger bearings considering small and medium values of shaft eccentricity – it is recommended to use the Petrusevich formula. To calculate the lubrication process parameters for turbocharger bearings with any eccentricity, the Lyapunov and Hugoniot formulas can be applied. For all six equations, derivatives were calculated and expressions were established to calculate the sensitivity of the oil flow to the turbocharger rotor shaft speed n, min^–1, and the oil pressure at the inlet to the turbocharger bearing Rvh, MPa. The methodological part of the paper presents an autonomous lubrication system and an experimental stand. It is also shown a turbocharger with sensors and measuring devices. The SigmaPlot program was selected for processing the experimental data and a matrix of a multifactorial experiment was compiled. As a result of experimental studies, point data were obtained for monitoring oil consumption through the turbocharger bearing within the variation range of n = 25,000…75,000 min^–1, R_vh = 0.1…0.4 MPa and T_vh = 50 °C. A three-dimensional experimental data polygon was constructed, which is described by four regression equations; the highest reliability of data approximation is provided by the Gauss and Lorentz models – R₂ = 0.997. The analysis of the sensitivity of the oil flow through the turbocharger bearing to the oil pressure at the bearing inlet shows the condition of continuous growth of the oil flow rate itself – 0.0188 l/s < 0.0242 l/s < 0.0321 l/s, and the sensitivity value 0.062 (l/s)/MPa < 0.080 (l/s)/MPa < 0.107 (l/s)/MPa. The obtained condition indicates a high compensatory capacity and adaptability of the lubrication system to an increasing speed mode. The sensitivity analysis of the oil flow through the turbocharger bearing to the turbocharger rotor shaft speed shows the condition of continuous growth of the oil flow rate itself – 0.001 l/s < 0.0055 l/s < 0.0143 l/s, and the sensitivity value 0.00000002 (l/s)/min^–1 < 0.00000011 (l/s)/min^–1 < 0.000000286 (l/s)/min^–1. This condition indicates the effective action of the dynamic support mechanism from the increase in the pressure at the inlet of the turbocharger bearing. The higher the pressure at the bearing inlet, the greater the oil pumpability. In operating practice, it is possible to use the high compensatory property of the pressure increase mechanism to increase the limits of the turbocharger bearing lubrication efficiency.