Несмотря на широко обсуждаемые тенденции перехода от применения поршневых машин на иные системы привода (например, электрический привод в автомобилестроении), именно поршневые машины остаются устойчивой базой в качестве энергетических установок для транспортного машиностроения, а также надежными устройствами в компрессорной технике. Создание эффективной, конкурентоспособной и экологически чистой поршневой машины остается актуальной задачей в развитии энергетики и машиностроения. Решение этой задачи заключается в совершенствовании рабочего цикла и основных систем с учетом современных данных о материалах, механике, газодинамике и теплообмене, характерных для поршневых машин. Соответственно, необходимы дальнейшие исследования газодинамических явлений и особенностей теплообмена в полости (цилиндре) и системах газообмена с учетом механики движения газа с целью разработки оригинальных научно-технических решений по улучшению эффективности и экологичности поршневых машин различного назначения.
Цель проекта состоит в уточнении физического механизма влияния граничных условий и геометрических факторов (конструкции элементов системы газообмена: конфигурации клапана, канала клапанного узла, поперечного профилирования трубопроводов) на газодинамические и теплообменные характеристики стационарных потоков в полости (цилиндре) при ее заполнении и/или опорожнении для разработки новых конструкций подводящих и отводящих систем, повышающих эксплуатационные показатели поршневых машин.
Для выполнения этой цели были поставлены следующие основные задачи:
1) посредством метода градиентной теплометрии получить данные о влиянии конфигурации подводящей и отводящей системы, а также клапана и канала клапанного механизма на газодинамическую структуру стационарного потока в полости (цилиндре) поршневой машины;
2) с помощью метода термоанемометрирования получить данные о влиянии конфигурации подводящей и отводящей системы, а также клапана и канала клапанного механизма на газодинамические (местная скорость, расход газа, степень турбулентности) и теплообменные (локальный коэффициент теплоотдачи, эмпирические уравнения) характеристики стационарных потоков в подводящих и отводящих системах поршневой машины;
3) на основе цифровых технологий предложить новые конструкции подводящих и отводящих систем для улучшения качества заполнения и опорожнения полости (цилиндра) с целью повышения технико-экономических показателей поршневых машин;
4) На основе проведенных научных исследований уточнить учебные планы и рабочие программы специальных дисциплин по направлению «Энергетическое машиностроение» в Уральском федеральном университете.
Научная новизна результатов проекта:
1) установить влияние геометрических факторов и газодинамической условий на структуру потока в полости (цилиндре) поршневой машины и интенсивность теплоотдачи потоков в системах газообмена разной конфигурации при течении газов через клапанный механизм;
2) определить влияние поперечного профилирования каналов на структуру потока в полости (цилиндре), а также на расходные и тепломеханические характеристики потоков в элементах системы газообмена при течении газов через клапанный механизм;
3) выявить направления совершенствования элементов систем газообмена поршневых машин с целью улучшения качества заполнения и опорожнения полости (цилиндра) и повышения эффективности энергоустановок.
Ожидаемые результаты:
Обобщенные результаты проекта заключаются в следующем.
1) На основе метода градиентной теплометрии установить закономерности изменения газодинамической структуру потока в полости (цилиндре) при ее заполнении через подводящие трубы и каналы клапанного механизма разных конфигураций.
2) С помощью метода градиентной теплометрии уточнить закономерности изменения газодинамической структуру потока в отводящих системах при опорожнении полости (цилиндра) через отводящие трубы и каналы клапанного механизма разных конфигураций.
Полученные экспериментальные данные позволят расширить теоретические представления о газодинамической структуре потоков газа в полости (цилиндре) при ее заполнении и/или опорожнении через системы газообмена различных конфигураций и уточнит) инженерные методики расчета и проектирования подводящих и отводящих систем, а также клапанного механизма для энергетических установок и компрессорной техники на базе поршневых машин. Это является актуальной задачей в области теплофизики и машиностроения.
2) Посредством метода термоанемометрирования выявить закономерности изменения местной скорости и локального коэффициента теплоотдачи стационарного потока газа в системах газообмена при разных конфигурациях подводящих и отводящих труб, каналов клапанного механизма и самого клапана.
Полученные впервые экспериментальные данные позволят расширить фундаментальные (теоретические) представления о газодинамических и теплообменных характеристиках потоков газа в системах газообмена различных конфигураций и дополнить (уточнить) инженерные методики расчета и проектирования подводящих и отводящих систем для энергетических установок и компрессорной техники на базе поршневых машин. Это является актуальной задачей в области теплофизики и мировой энергетики.
3) Установить газодинамические характеристики (степень турбулентности, спектральный анализ, расходные характеристики) стационарных потоков в системах газообмена при разных конфигурациях подводящих и отводящих труб, каналов клапанного механизма и самого клапана.
Эти результаты позволят уточнить физический механизм влияния геометрических и режимных факторов на процессы переноса при стационарном течении газовых потоков в процессах заполнения и опорожнения полости (цилиндра).
4) Выявить тепломеханические характеристики (эмпирические уравнения для расчета локального коэффициента теплоотдачи) стационарных потоков в системах газообмена при разных конфигурациях подводящих и отводящих труб, каналов клапанного механизма и самого клапана.
В результате обобщения экспериментальных данных планируется получить эмпирические уравнения для расчета локального коэффициента теплоотдачи (числа Нуссельта) для систем газообмена разных конструкций для стационарных потоков; это позволит уточнить инженерные методы расчета систем газообмена для поршневых машин. Это особенно важно для развития в России конкурентоспособных методик проектирования тепловых двигателей и компрессорной техники с показателями эффективности, превышающими мировой уровень.
5) Предложить способ газодинамического и тепломеханического совершенствования подводящей и отводящей систем (за счет профилирования каналов и модернизации конструкции клапана) для повышения качества заполнения и опорожнения полости с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных показателей поршневой машины.
Разработанные способы газодинамического и тепломеханического совершенствования систем газообмена приведет к изменению структуры потоков газов, снижению тепловой напряженности основных деталей и узлов систем и улучшению наполнения (опорожнения) цилиндра, что должно повысить эффективность и надежность поршневых машин. Это позволит приблизить эксплуатационные показатели поршневых машин к лучшим образцам мирового машиностроения и энергетики.
6) На основе проведенных научных исследований уточнить рабочие программы дисциплин («Теория рабочих процессов ДВС», «Моделирование рабочих процессов поршневых ДВС», «Конструирование ДВС») для образовательных программ бакалавриата и магистратуры по направлению «Энергетическое машиностроение» на кафедре «Турбины и двигатели» УрФУ.
Для повышения качества образования в УрФУ основные научные результаты проекта планируется использовать в учебном процессе кафедры «Турбины и двигатели» при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлениям «Энергетическое машиностроение», а также при реализации программ повышения квалификации научных и инженерных кадров Уральского федерального округа.