Результаты моделирования температурных процессов турбокомпрессора тракторов с учетом варьирования температуры окружающей среды при проведении сельскохозяйственных работ
Results of modelling of tractor turbocharger temperature processes taking into account the variation of ambient temperature during agricultural operations

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

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

АННОТАЦИЯ

Авторы: Патов Артем Германович

В современных условиях разрабатываются высокофорсированные автотракторные двигатели, оснащенные турбокомпрессорами. Установка турбокомпрессора позволяет повысить мощность исходного двигателя в 1,1…1,5 раза. Вместе с тем, турбокомпрессорный наддув создает большую нагруженность на узлы и детали двигателя. Подшипники турбокомпрессора, его турбинное колесо и корпусные детали могут нагреваться до 900 °С и выше. В практике эксплуатации возникают стохастические колебания нагрузки, которые приводят к аварийным ситуациям. Возникает задача, связанная с моделированием сложных режимов работы турбокомпрессора и формированием условий для его безаварийной работы. Для этой цели разработан план моделирования, в котором отражены основные расчетные этапы. В качестве среды моделирования выбран программный продукт Solidworks 2024, модуль Flow Simulation. В начале моделирования были заданы граничные условия, материалы основных элементов турбокомпрессора. Зазор в подшипниках турбокомпрессора был принят постоянным (0,9 мм) и не изменялся на протяжении всех этапов моделирования. При проработке вопроса нагружения были заданы циклы изменения температуры отработавших газов и исходные колебания температуры приложены к корпусу турбинного колеса. Моделирование проводилось при условиях температуры окружающей среды: +20 °С и +35 °С. Варьирование давления масла на входе в подшипники турбокомпрессора составило – 0,1…0,4 МПа. Изменение частоты вращения вала ротора турбокомпрессора составило 25 000…75 000 мин^–1. Входная температура масла задавалась на уровне 90 °С. В качестве контрольных точек температуры выбраны 3 точки: 1. Температура внутри входной канавки подшипника со стороны турбинного колеса; 2. Температура масла в области контакта с подшипником (на линии центра входной канавки подшипника); 3. Температура масла на сливе (в центре стоковой части выходного канала). Контроль после моделирования показал на распределение температуры корпусных элементов турбокомпрессора от 90 до 230 °С, температуры масла от 90 до 120 °С. Наихудшие условия по распределению температур наблюдались при входном давлении 0,1 МПа и частоте вращения вала ротора турбокомпрессора, когда масло перегревалось до температуры выше 135 °С. Сделаны выводы о дальнейшей детальной проработке высоконагруженных режимов работы турбокомпрессора и моделировании наиболее сложных комбинаций режимов. Результаты могут быть использованы конструкторскими бюро, университетами, производственными предприятиями для более детальной проработки деталей и элементов турбокомпрессоров.

Abstract:

NAME: Results of modelling of tractor turbocharger temperature processes taking into account the variation of ambient temperature during agricultural operations
AUTOR: Patov Artem Germanovich

In modern conditions high-force automotive tractor engines equipped with turbochargers are developed. Installation of turbocharger allows to increase the power of the original engine in 1,1…1,5 times. At the same time, turbocharger supercharging creates a greater load on engine components and parts. Turbocompressor bearings, its turbine wheel and housing parts can be heated up to 900 °С and higher. In the practice of operation there are stochastic load fluctuations that lead to emergency situations. There arises a task connected with modelling of complex modes of turbocharger operation and formation of conditions for its trouble-free operation. For this purpose, a modelling plan has been developed, which reflects the main calculation stages. Solidworks 2024 software product, Flow Simulation module was chosen as the modelling environment. At the beginning of modelling the boundary conditions, materials of the main elements of the turbocharger were set. The clearance in the turbocharger bearings was assumed constant (0.9 mm) and did not change during all stages of modelling. When working out the loading issue, cycles of exhaust gas temperature change were set and initial temperature fluctuations were applied to the turbine wheel housing. Modelling was carried out under the conditions of ambient temperature: +20 °C and +35 °C. Variation of oil pressure at the inlet to the turbocharger bearings was 0.1…0.4 MPa. Variation of turbocharger rotor shaft speed was 25 000…75 000 min^–1. The inlet oil temperature was set at 90 °C. As control points of temperature 3 points were chosen: 1. Temperature inside the inlet groove of the bearing from the side of the turbine wheel; 2. Oil temperature in the area of contact with the bearing (on the line of the centre of the inlet groove of the bearing); 3. Oil temperature at the drain (in the centre of the drain part of the outlet channel). The control after modelling showed the temperature distribution of turbocharger housing elements from 90 to 230 °C, oil temperature from 90 to 120 °C. The worst conditions on temperature distribution were observed at inlet pressure of 0.1 MPa and turbocharger rotor shaft speed, when the oil overheated to a temperature above 135 °С. Conclusions about further detailed study of highly loaded modes of turbocharger operation and modelling of the most complex combinations of modes are made. The results can be used by design bureaus, universities, manufacturing enterprises for more detailed elaboration of turbocharger parts and elements.