Методы тестирования рабочей температуры турбокомпрессора

Подробности

Постоянно повышаемая планка требований к выбросам углекислого газа и NOx наряду с очевидной необходимостью снижения потребления топлива привело к ускорению развития рынка топлива на основе природного газа. Все это привело к общему повышению рабочей температуры двигателей, работающих на новых видах топлива, в частности повышению температуры выхлопных газов; в свою очередь, результатом стал значительных пересмотр материалов, архитектуры, методов и общего технологического процесса сборки турбокомпрессоров. 

 Компания «Турбокомпрессоры Камминс» (CumminsTurboTechnologies) имеет достаточно богатый опыт создания турбокомпрессоров, предназначенных для работы с двигателями, работающими на природном газе. Впрочем, эти двигатели по большей части работают как раз на обедненной топливной смеси, что приближает их характеристики к таковым из более традиционного сегмента дизельных двигателей. Однако, стехиометрические двигатели на основе природного газа становятся все более популярными в сегменте коммерческих тяжелых автомобилей и спецтехники, что заставляет рынок в значительной степени адаптироваться к ним.

Альтернативные виды топлива для тяжелых и мощных двигателей получили в последнее время широкую поддержку автопроизводителей в качестве средства экономии топлива и снижения выбросов CO2. В свою очередь, эта тенденция привела к изменению технических требований к турбокомпрессорам и повлекла за собой разработку соответствующих технологических решений. В свое время такими решениями стали фиксированная геометрия крыльчатки и использование перепускного клапана в качестве предохранителя от чрезмерно высокой температуры. Проводились разнообразные тесты для изучения поведения отдельных узлов и деталей при работе с разными видами топлива и в разных режимах, результаты которых в свою очередь использовались для оценки материала компонентов турбокомпрессора, таких, как корпус турбокомпрессора и механизм перепускного клапана, и для их последующей точной калибровки. Все это стало возможным благодаря методу анализа рабочего цикла, совмещенному с методом анализа термомеханической износостойкости.

Данные методы тестирования позволяют на основе результатов предшествующих тестов и сформированной таким образом термальной истории определить, насколько износостойким окажется изделие при разных режимах работы двигателя. Данный вид тестирования доступен также для использования в коммерческих целях и распространяется под маркой «nCode DesignLife».

Поскольку тяжелые двигатели в настоящий момент интенсивно развиваются в направлении адаптации к альтернативным видам топлива, таким, как природный газ, целью тестирования было определение различий в температурных режимах работы турбокомпрессора на дизельном и газовом двигателях. Ниже представлен график, демонстрирующий параллельно температуру выхлопных газов на впуске в турбокомпрессор (TIT – TurbineInletTemperature) дизельного (выше) и газового (ниже) двигателя при идентичном режиме работы. Из визуализации следует, что дизельный двигатель функционирует в достаточно широком диапазоне температур, в то время как колебания температур при работе газового двигателя значительно меньше. Также можно с определенностью заявить, что пиковая температура работы газового двигателя сравнительно выше, чем таковая у дизельного двигателя, а также сохраняется на значительно более долгом промежутке времени.

Следующим шагом является выявление фундаментальных различий в условиях работы обоих двигателей и прогнозирование эффекта этих различий на износостойкие характеристики таких деталей турбокомпрессора, как, например, ее корпус. Задача представляется достаточно сложной, так как для извлечения сколько-нибудь надежных данных представляется необходимым проведение «полевых» испытаний, причем целью испытаний является замер температуры металлических частей турбокомпрессора. Как правило, в полевых испытаниях не так сложно извлечь данные по температуре выхлопных газов на впуске в турбокомпрессор (TIT), однако замерить температуру металла в массе в данных условиях практически невозможно. Таким образом, единственным пригодным к практическому применению решением является прогнозирование температуры металла на основе температуры выхлопных газов во время рабочего цикла. Таким образом и был разработан метод, позволяющий провести сравнительных анализ температурных режимов работы турбокомпрессоров на двигателях, работающих на разном топливе. Ниже приведена таблица с результатами прогнозирования температуры металлических частей (TMF), извлеченными из данных TIT.

Данный метод прогнозирования дополняется методом совокупного прогнозирования. Данный метод предполагает расчет общей температуры металлических частей по формуле, включающей в себя условия (главным образом температуру) внешней среды, температуру корпуса подшипника, температуру выхлопных газов, а представляет сложную взаимосвязь теплообменных процессов между ними.