Details zum E-Book
Symulacyjne badania koncepcyjne nietypowego silnika turbowałowego pracującego w obiegu termodynamicznym Humphreya
Piotr Tarnawski
Monografia prezentuje rozwój koncepcji silnika turbowałowego pracującego zgodnie z obiegiem termodynamicznym Humphreya. Niniejsze badania mają charakter koncepcyjno-symulacyjny. Podstawowym narzędziem badawczym wykorzystywanym w pracy była 3-wymiarowa analiza numeryczna CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). Analizowano przepływ gazów w układzie ruchomych zaworów, proces spalania, rozprężanie gazów, generowanie momentu obrotowego w turbinie, a także chłodzenie silnika. Wyniki symulacji pozwalały przeprowadzić bilans energetyczny dla poszczególnych wariantów silnika, dzięki któremu można było oszacować sprawność energetyczną modelu symulacyjnego silnika. W pracy przedstawiono warianty pośrednie silnika oraz stopniową eliminację jego wad, które doprowadziły do finalnej bardzo obiecującej koncepcji silnika.
Spis podstawowych oznaczeń 11
Streszczenie 13
Abstract 15
1. Wprowadzenie 17
1.1. Parametry silników spalinowych 17
1.2. Kierunek rozwoju silników spalinowych 20
1.3. Cel i zakres pracy 24
1.3.1. Cel i tezy pracy 24
1.3.2. Realizacja pracy silnika turbowałowego pracującego w obiegu Humphreya 25
1.3.3. Zakres pracy 28
2. Analityczne obliczenia sprawności energetycznej silnika pracującego według obiegu Humphreya oraz porównanie z innymi obiegami 33
2.1. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Braytona-Joule’a 33
2.2. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Humphreya 35
2.3. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Otto 37
2.4. Charakterystyka obiegu termodynamicznego Diesla 38
2.5. Porównanie obiegu Humphreya z obiegiem Braytona-Joule’a, Otto i Diesla 39
2.6. Porównanie obiegu Humphreya z obiegiem Braytona-Joule’a, Otto i Diesla w funkcji sprężu, z uwzględnieniem niektórych rzeczywistych warunków 42
2.7. Analiza obiegu Humphreya z uwzględnieniem parametrów pośrednich w komorze podczas rozprężania 44
2.7.1. Sprężanie 44
2.7.2. Spalanie 45
2.7.3. Rozprężanie w dyszy de Lavala przy zmiennym ciśnieniu w komorze 45
2.7.4. Generowanie pracy mechanicznej oraz sprawność obiegu 50
2.8. Analiza obiegu Humphreya z uwzględnieniem chłodzenia międzystopniowego 52
3. Model matematyczny 3-wymiarowej analizy numerycznej CFD 55
3.1. Wprowadzenie 55
3.2. Równanie ciągłości płynu 55
3.3. Równania pędu (Naviera-Stokesa) dla przepływu turbulentnego w wirującym układzie odniesienia 56
3.4. Równanie energii 59
3.5. Równanie transportu składników mieszaniny gazów 60
3.6. Równania reakcji chemicznej spalania 60
3.7. Równanie transferu promieniowania cieplnego 61
3.8. Równania ruchu cząstek dyskretnych oraz wymiany masy i ciepła 62
4. Podstawowe badania koncepcji silnika – ewolucja koncepcji rozrządu 65
4.1. Rozrząd 1-komorowy z zaworami krążkowymi 65
4.1.1. Zasada działania rozrządu 65
4.1.2. Sprężanie zewnętrzne powietrza 67
4.1.3. Napełnianie komory spalania sprężonym powietrzem 69
4.1.4. Proces spalania w komorze izochorycznej 71
4.1.5. Wylot spalin do turbiny (opróżnianie komory, rozprężanie i zasilanie turbiny) 75
4.2. Rozrząd 2-komorowy z zaworami krążkowymi 76
4.2.1. Przebieg parametrów termicznych cyklu silnika 80
4.2.2. Obliczenia sprawności energetycznej silnika 81
4.3. Rozrząd 4-komorowy z zaworami tarczowymi 83
4.4. Rozrząd 4-komorowy z zaworem tarczowym i rozdzielonymi dyszami 85
4.5. Rozrząd 4-komorowy z zaworami klapowymi i rozdzielonymi dyszami 86
4.6. Rozrząd 4-komorowy z zaworami tarczowymi, rozdzielonymi dyszami i zasilaniem na całym obwodzie turbiny 88
4.7. Rozrząd 3-komorowy z zaworami tarczowymi i dyszami 2-ciśnieniowymi 89
4.8. Wirujący rozrząd z 3-ciśnieniowymi dyszami 92
4.9. Wirujący rozrząd z 4-ciśnieniowymi dyszami 97
4.10. Urealnienie warunków brzegowych symulacji oraz analiza parametryczna sprawności energetycznej koncepcji silnika turbinowego z zastosowaniem wirującego rozrządu 100
4.10.1. Spalanie dekanu z uwzględnieniem chłodzenia ścianek komór 100
4.10.2. Etap przygotowania wysokociśnieniowych spalin 101
4.10.3. Etap generowania mocy 106
4.10.4. Przebieg parametrów termicznych podczas cyklu pracy silnika 108
4.10.5. Optymalizacja kątów napływu spalin i dobór profilu łopatki turbiny 109
4.10.6. Analiza wrażliwości różnych wartości współczynnika nadmiaru powietrza i sprężu na sprawność silnika 113
4.10.7. Koncepcja wirującego rozrządu z 3-ciśnieniowymi dyszami i zasilaniem na całym obwodzie turbiny 114
4.11. Uproszczenie konstrukcji rozrządu z układem dolotu i wylotu gazu po jednej stronie komory 118
5. Rozrząd z zaworami samoczynnymi 122
5.1. Rozrząd z zaworami wahadłowymi i grzybkowymi 122
5.1.1. Model geometryczny rozrządu i zasada działania 122
5.1.2. Obliczenia prędkości ruchomych elementów zaworów samoczynnych 124
5.1.3. Opis działania silnika na podstawie wzajemnego położenia ruchomych elementów zaworu wahadłowego i grzybkowego 127
5.1.4. Model numeryczny i opis warunków brzegowych 130
5.1.5. Wyniki symulacji pracy silnika 133
5.1.6. Hamulec gazowy części ruchomej zaworu wahadłowego 139
5.2. Rozrząd z zaworami tłoczkowymi 143
6. Rozrząd z wirującymi komorami spalania – finalna koncepcja silnika 147
6.1. Koncepcja uszczelnienia komór spalania 147
6.2. Zasada działania finalnej koncepcji silnika 151
6.3. Schemat silnika oraz dobór turbosprężarek oraz sprężarki mechanicznej 152
6.4. Model numeryczny oraz wyniki finalnej koncepcji silnika o mocy 1000 kW 156
6.5. Analiza wrażliwości siatki obliczeniowej 164
6.5.1. Omówienie aspektów wpływających na dokładność wyników symulacji 164
6.5.2. Opis różnych siatek numerycznych zastosowanych w symulacji 167
6.5.3. Porównanie wyników dla trzech różnych siatek obliczeniowych 172
6.6. Zapewnienie efektywnego napełniania komory świeżym sprężonym powietrzem 173
6.7. Porównanie modelu spalania Eddy Dissipation z modelem Finite Rate/Eddy Dissipation oraz reakcji spalania jedno- i dwukrokowej 174
6.8. Wariant silnika o mocy 500 kW 175
6.9. Wariant silnika o mocy 700 kW 178
6.10. Wariant silnika o mocy 1700 kW – 6 komór w dwóch rzędach 179
6.11. Wariant silnika o mocy 1700 kW – 8 komór w dwóch rzędach 184
6.12. Porównanie sprawności prezentowanej koncepcji silnika z silnikami turbowałowymi dostępnymi na rynku 186
6.13. Wariant silnika z dodatkowym wzmocnieniem obiegiem parowym 187
6.13.1. Schemat silnika gazowo-parowego 188
6.13.2. Parametry obiegu pary 190
6.13.3. Wyniki obliczeń sprawności silnika 191
7. Aspekty technologiczne finalnej koncepcji silnika z wirującymi komorami spalania 193
7.1. Technologiczna koncepcja samonastawnych segmentowych uszczelnień ceramicznych 193
7.1.1. Zasada działania systemu uszczelnień 193
7.1.2. Obliczenia pracy tarcia uszczelnień 195
7.1.3. Zagadnienia technologiczne systemu uszczelnień 196
7.2. Materiałowo-technologiczna koncepcja konstrukcji układu rozrządu do badań stanowiskowych samonastawnego systemu uszczelnień 198
7.2.1. Opis modelu projektowanego stanowiska badawczego 198
7.2.2. Analiza termiczna i dobór materiałów konstrukcyjnych 201
7.3. Materiałowo-technologiczna koncepcja konstrukcji silnika 204
7.3.1. Koncepcja konstrukcji silnika 204
7.3.2. Dobór materiałów konstrukcyjnych oraz wyniki analizy termicznej 206
8. Zakończenie 215
8.1. Podsumowanie 215
8.2. Weryfikacja celu i tez pracy 216
8.3. Wnioski 219
Literatura 223
- Titel:Symulacyjne badania koncepcyjne nietypowego silnika turbowałowego pracującego w obiegu termodynamicznym Humphreya
- Autor:Piotr Tarnawski
- ISBN:978-83-8156-847-0, 9788381568470
- Veröffentlichungsdatum:2026-04-20
- Format:E-Book
- Artikel-ID: e_4whd
- Verleger: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej