Підвищення техніко-економічних показників тепловозів удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою - Автореферат

Перспективним напрямком зменшення витрат потужності на допоміжні потреби тепловоза є поліпшення аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою тепловозу, наприклад використанням нагнітальної системи з оригінальною конструкцією шахти, що має розвинуту поверхню охолодження й мінімальний аеродинамічний опір шахти охолоджуючих пристроїв. Підвищення техніко-економічних показників тепловозу за рахунок зменшення витрат потужності на привід допоміжних механізмів, а саме, на привід вентиляторів ОП, можливо при створенні аеродинамічної схеми ОП тепловозу нагнітального типу, який дозволяє більш ефективно перетворювати динамічний напір, створюваний вентилятором, в енергію тиску, усуненні вихрової зони за втулкою вентилятора та відсутності в безпосередній близькості від вентилятора будь-яких елементів ОП. створити адекватну математичну модель руху повітряного потоку в шахті ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором; визначити вид залежності розподілу поля швидкостей по панелі радіаторів від геометричних і режимних параметрів в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором; оцінити вплив нерівномірності поля швидкостей повітряного потоку на теплорозсіювальну здатність секцій радіаторів в ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором;У першому розділі обґрунтовано необхідність підвищення техніко-економічної ефективності показників тепловозу, надано аналіз існуючих аеродинамічних схем шахт ОП, розглянуто напрямки зменшення витрат потужності на привід вентилятора. У Європі й Японії найбільшого поширення одержали ОП усмоктувального аркового й кришового типів (французькі тепловози серії 67000, 72000, японський тепловоз серії DF-50, англійські тепловози фірми “Браш” та ін.), але застосовуються також ОП нагнітального типу, наприклад ВВ88900 (Франція). Основним завданням, яке було розв?язано в другому розділі, було одержання аеродинамічних характеристик шахти ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором. раціональний дифузор вентилятор тепловоз З аналізу апріорної інформації з аеродинаміки дифузорів отримано вид аналітичної залежності розподілу повітряного потоку по висоті панелі радіатора, встановленої у вихідній частині радіально-кільцевого дифузора Осьова симетричність шахти ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором і перевага осьової складової швидкості над радіальною дозволяє перетворити рівняння (2-3) до виду: Ефективна турбулентна вязкість прийнята як сума турбулентної динамічної вязкості й динамічної вязкості: Для вихрівой течії широке поширення одержала формула Прандтля-Колмогорова, яка єднає турбулентну кінематичну вязкість , кінетичну енергію турбулентної пульсаційної течії k, і швидкість дисипації кінетичної енергії турбулентної пульсаційної течії ? : Кінетична енергія турбулентності для осесиметричного руху повітряного потоку k можна представити як: Таким чином, математична модель осесиметричного руху повітряного потоку у ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором являє собою систему рівнянь (4)-(9).Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної для рейкового транспорту наукової задачі - поліпшенню техніко-економічних показників тепловозів удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою, використовуючи ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором. Підвищення техніко-економічних показників тепловоза можливо удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючих пристроїв тепловозів, а саме - використанням у шахті нагнітальній системі радіально-кільцевого дифузора. Уперше для опису руху повітряного потоку в шахті охолоджуючих пристроїв тепловозу нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, застосована система рівнянь, яка складається з тривимірних рівнянь Рейнольдса, рівняння нерозривності і k-? моделі турбулентності для осесиметричного руху, з обліком початкових і граничних умов. Аналіз експериментальних даних показав, що мінімальний коефіцієнт опору шахти мають охолоджуючи пристрої нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, за умови використання у вихідній частині дифузора однієї направляючої поверхні для ступенів розширення n=1,7?2,5. Спільне рішення рівняння теплопередачі з використанням рівняння розподілу повітряного потоку по панелі радіатора дозволило чисельно визначити, що нерівномірність розподілу повітряного потоку по панелі радіатора характерна для шахти нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, на відміну від рівномірного розподілу повітряного потоку, погіршує теплорозсіювальну здатність не більш ніж на 1%.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної для рейкового транспорту наукової задачі - поліпшенню техніко-економічних показників тепловозів удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючого пристрою, використовуючи ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором.

Представлені в дисертації результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень дозволяють зробити такі висновки: 1. Підвищення техніко-економічних показників тепловоза можливо удосконалюванням аеродинамічної схеми охолоджуючих пристроїв тепловозів, а саме - використанням у шахті нагнітальній системі радіально-кільцевого дифузора. На даний вид компонування отримані патенти України №33241 і №62898А.

2. Уперше для опису руху повітряного потоку в шахті охолоджуючих пристроїв тепловозу нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, застосована система рівнянь, яка складається з тривимірних рівнянь Рейнольдса, рівняння нерозривності і k-? моделі турбулентності для осесиметричного руху, з обліком початкових і граничних умов. Інтегрування отриманої системи рівнянь зроблено методом кінцевих різностей у пакеті прикладних програм MATLAB.

3. З метою перевірки адекватності математичних моделей проведені експериментальні дослідження аеродинамічних характеристик шахти охолоджуючих пристроїв нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором. Адекватність пропонованої моделі оцінена за критерієм Фішера, розрахункове значення якого 2.1 менше табличного 2.9, тому отримана модель адекватно описує аеродинамічні характеристики осесиметричного повітряного потоку в шахті охолоджуючих пристроїв.

4. Уперше отримані аналітичні залежності розподілу поля швидкостей по висоті панелі секцій радіатора від геометричних і режимних чинників охолоджуючих пристроїв нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором

5. Аналіз експериментальних даних показав, що мінімальний коефіцієнт опору шахти мають охолоджуючи пристрої нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, за умови використання у вихідній частині дифузора однієї направляючої поверхні для ступенів розширення n=1,7?2,5.

6. Спільне рішення рівняння теплопередачі з використанням рівняння розподілу повітряного потоку по панелі радіатора дозволило чисельно визначити, що нерівномірність розподілу повітряного потоку по панелі радіатора характерна для шахти нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором, на відміну від рівномірного розподілу повітряного потоку, погіршує теплорозсіювальну здатність не більш ніж на 1%. Тому для обліку погіршення теплорозсіювання радіатора від нерівномірності повітряного потоку по панелям радіатора достатньо 15% запасу по теплопередачі, що рекомендовано методикою розрахунку ОП.

7. Виконаний техніко-економічний розрахунок показників розробленого охолоджуючого пристрою нагнітального типу з осесиметричним розташуванням панелей радіаторів для тепловозу серії 2ТЕ116 показав, що у проектного ОП поверхня охолодження на 10% менше, порівняно з прототипом, при одночасному зменшенні витрат потужності на привод вентиляторів на 6%. Дане зменшення витрат потужності на привід вентиляторів дозволяє підвищити ККД тепловозу на 0,56%.

8. Очікуваний економічний ефект від застосування проектного ОП нагнітального типу з радіально-кільцевим дифузором на тепловозах типу 2ТЕ116 складає 10.5 тис.грн на секцію на рік (у цінах на 01.08.2003 г).

9. Результати дисертаційної роботи використовуються в ВАТ „ХК „Луганськтепловоз” при конструюванні ОП тепловозів і їх модернізації, що дозволило зменшити обсяг, трудомісткість і вартість дослідницько-конструкторських робіт, а також знизити собівартість виготовлення й експлуатаційні витрати.

1. Клюев А.А., Могила В.И. Распределение воздушного потока по высоте панели радиатора в охлаждающем устройстве с радиально-кольцевым диффузором // Вісник Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля - 2003. - №9(67). - С. 231-233.

2. Могила В.И., Клюев А.А. Некоторые результаты экспериментального исследования модели охлаждающего устройства нагнетательного типа// Вісник Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля - 2002. - №3(49). - С. 154-157.

3. Клюев А.А., Могила В.И., Игнатьев О.Л. Математическая модель течения воздушного потока в шахте ОУ нагнетательного типа // Вісник Східноукр. нац. ун-т ім. В. Даля - 2002. - №6(52). - С. 184 -188.

4. Клюев А.А., Клюев А.С., Рыбинцева Е.А. Феноменологическая модель распределения поля скоростей воздушного потока по панели радиатора.// Вісник Східноукр. нац. ун-т - 2001. - №7(41). - С. 185-187.

5. Могила В.И., Клюев А.А., Тихонюк Г.П. Конструкторско-технологические особенности охлаждающего устройства нагнетательного типа с хордиальной установкой секций радиатора // Вісн. Східноукр. держ. ун-т. - 2000. - №7(29). - С. 137-139.

6. Патент України №62898А, МПК 7 В 61С5/02. Охолоджуючий пристрій тепловозу / Могіла В.І., Клюєв О.О., Клюєв О.С. Опубл. 15.12.2003. бюл №12.

7. Патент України №33241А, МПК 6 В 61С5/02. Охолоджуючий пристрій тепловозу / Клюєв О.О., Могіла В.І., Теребільников В.П., Клюєв О.С. Опубл. 15.02.2001. бюл №1.

8. Могила В.И. Клюев А.А., Клюев А.С. Качественное улучшение аэродинамической структуры потока в охлаждающем устройстве нагнетательного типа с хордиальным расположением панелей радиаторов // Тезисы докладов IX международной научно-технической конференции проблемы развития рельсового транспорта”. - Луганск: ВУГУ. - 1999.- С. 27.

9. Могила В.И. Клюев А.А. Охлаждающее устройство нагнетательного типа с хордиальным расположением панелей радиаторов // Тезисы докладов VIII международной научно-технической конференции “Проблемы развития рельсового транспорта”. - Луганск: ВУГУ, - 1998.- С. 33.