Моделирование и повышение эффективности эжекционного отсоса пыли из воздухозаборника выхлопными газами двигателя сельскохозяйственной машины

Введение . Струйные аппараты получили широкое распространение практически во всех отраслях техники. Они применяются в системах очистки воздуха на промышленных предприятиях [2], эжекторах реактивных сопел, пневмофорсунках, пневмотранспорте [3], компрессорах и т.д. Известно также использование выхлопных газов для эжекционного отсоса пыли в транспортных дизельных двигателях [4] и в военной технике [5].

Из анализа всех приведенных источников можно сделать вывод, что, несмотря на невысокий КПД эжекторных устройств, отсутствие подвижных элементов и простота конструкции обеспечивает им преимущество при выборе типа обменника энергией.

В зависимости от сферы применения эжекторное устройство должно обладать специфическим набором показателей, характеризующих его в конкретном случае. Значительное влияние на аэродинамические характеристики эжекторных устройств оказывает компоновочная схема их исполнения. Использование потока выхлопных газов в системе удаления пыли из воздухозаборника в качестве эжектирующей среды не требует наличия дополнительных устройств для создания газовых потоков, что также является важным преимуществом эжекционной очистки воздушного фильтра двигателя.

Теоретические основы газодинамических процессов, протекающих в струйных аппаратах, достаточно широко и в различных ракурсах изложены в специальной технической литературе и научных публикациях [2–7]. В приведенных источниках установлены закономерности протекающих процессов и обозначены основные параметры, выступающие в качестве критериев при оптимизации геометрии эжекторных устройств.

Однако теоретические расчеты не дают полной картины процессов, протекающих в эжекторных устройствах, носят приблизительный характер и ввиду отсутствия надежной методики определения потерь в системе требуют проведения натурных испытаний каждой конкретной конструкции системы удаления пыли.

В данной работе авторами проиллюстрировано моделирование эжекционного отсоса пы- ли выхлопными газами в специализированном пакете, проведено сравнение результатов моделирования с натурным экспериментом. Путем пошаговой оптимизации методом последовательных приближений, на основе анализа конструкции подобраны геометрические параметры эжектора, обеспечивающие оптимальный отсос пыли при допустимой величине противодавления системы выхлопных газов двигателя.

Методика исследования. Исследование системы эжекционного удаления пыли, установленной в систему выпуска выхлопных газов, из предочистителя воздушного фильтра проводилась на базе зерноуборочного комбайна КЗС-10K, выпускаемого ОАО «Гомсельмаш», с двигателем ЯМЗ-236БЕ2-28. Потребность в расчете эжекционного отсоса возникла в связи с применением глушителя другой конфигурации, что привело к снижению эффективности пылеудаления.

Для исследования системы удаления пыли и поисков путей решения возникшей научнотехнической проблемы было проведено моделирование эжекционного отсоса воздуха из предочистителя воздухоочистителя эжектором, установленным в глушителе двигателя.

Для расчета использовалась система вычислительной гидрогазодинамики с использованием метода конечных объемов для численного решения дифференциальных уравнений Навье-Стокса, описывающих движение текучей среды.

Для того чтобы в процессе моделирования эжекционного отсоса пыли при подборе параметров эжектора учесть рост противодавления системы выпуска выхлопных газов, граничное условие входа проточной области необходимо описать как массовый расход, а на границе выхода должно быть задано давление. Од- нако заводом-изготовителем двигателя информация по массовому расходу выхлопных газов не всегда предоставляется. И для случая, когда определить массовый расход не предоставляется возможным, предлагаем провести замеры давлений и температур выхлопных газов в системе выпуска, на основании которых выполнить моделирование и определить массовый расход, соответствующий замеренным результатам.

На рисунке 1 показан эскиз системы выпуска выхлопных газов с указанием расположения мест экспериментальных измерений. Замеры проводились при полной загрузке двигателя, которая обеспечивалась нагружательным стендом. Для большей достоверности результатов и верификации модели замеры проводились при открытом и закрытом патрубке подачи инжектируемого потока.

В качестве модели турбулентного течения, как наиболее подходящей для решения реальных инженерных задач, выбрана k-8 модель с двумя дифференциальными уравнениями: кинетической энергии турбулентности и транспорта диссипации турбулентности. Данная модель довольно стабильна и во многих случаях предлагает хороший компромисс с точки зрения точности и надежности [9].

Для учета сжимаемости рабочей среды и решения уравнений теплопереноса в процессе численного решения была включена модель теплопереноса.

На вход в проточную область подается смесь газов по составу близкая к выхлопным газам дизельных двигателей (CO 2 –10%, Н 2 O (пары)–5%, O 2 –10%, N 2 –75%), с плотностью 1,2 кг/м³ при температуре 20 °С.

1 – глушитель; 2 – эжекторное устройство Рисунок 1 – Эскиз системы выпуска выхлопных газов

По наружным стенкам проточной области, контактирующим с окружающей средой, описаны граничные условия соответствующие стальной стенке толщиной 2 мм с ее температурой 17 °C. По внутренним стенкам проточной области, контактирующей с выхлопными газами, описаны граничные условия с теплопереносом, соответствующие стальной стенке толщиной 2 мм.

Атмосферное давление, согласно прове- денным замерам, 100 Па.

тический пограничный слой [10].

Рисунок 2 – Конечно-элементная сетка

Результаты исследования и их обсуждение . После экспериментальных замеров полного давления в точках A, B, C, D и температуры в точках B, C (см. рисунок 1) выхлопных газов было проведено моделирование системы выпуска при тех же условиях при открытом и закрытом патрубке инжектируемого потока. Стоит обратить внимание, что результаты замеров в точке C использовались в качестве входных величин при предварительном моделировании для определения массового расхода

На границе выхода из расчетной области относительное давление p = 0 Па.

На основе геометрической 3D модели проточной области построена конечно-элементная сетка (рисунок 2). Для уменьшения количества элементов сетки и соответственно ускорения расчета были применены полиэдрические элементы. Для получения более качественной картины течения около стенок построен призма- выхлопных газов. Величина полного давления, замеренная в точке D, непосредственно после выпускного коллектора, соответствует противодавлению, создаваемому системой выпуска выхлопных газов. В таблице 1 приведены данные экспериментальных измерений и результаты моделирования системы выпуска выхлопных газов с эжекторным устройством. Величины замеренных значений соответствуют средним показателям, полученным после проведения серии из трех опытов.

Таблица 1 – Результаты экспериментальных замеров и моделирования

Параметр	Точка замера
	т. A	т. B     \	т. C     \	т. D
С открытым патрубком (экспериментальные замеры)
Полное относительное давление, Па	3180	3260	6310	–
Статическое относительное давление, Па	–	–	–	8040
Температура, °C	–	312	335	–
С закрытым патрубком (экспериментальные замеры)
Полное относительное давление, Па	-4890	2230	5510	–
Статическое относительное давление, Па	–	–	–	7350
Температура, °C	–	310	340	–
С открытым патрубком (результаты модели	рования)
Полное относительное давление, Па	2975	3150	6170	–
Температура, °C	340	325	335	–
С закрытым патрубком (результаты модели	рования)
Полное относительное давление, Па	-5370	2450	5645	–
Температура, °C	–	318	340	–

На рисунках 3 и 4 представлены поля   газового потока по средней вертикальной плос- распределения полного давления и скоростей   кости расчетной области.

а – поля распределения полного давления; б – поля распределения скоростей Рисунок 3 – Результаты моделирования системы с открытым патрубком

а – поля распределения полного давления; б – поля распределения скоростей Рисунок 4 – Результаты моделирования системы с закрытым патрубком

Как видно из таблицы 1, расхождение в результатах замеров и численного моделирования не превышает 7%, что находится в пределах допустимой погрешности. По результатам экспериментальных замеров противодавление системы выпуска выхлопных газов составляет 8040 Па, что согласно ТУ 37.319.270-96 на двигатель не превышает допустимого значения 10 кПа. Опыт эксплуатации зерноуборочных комбайнов и стендовые испытания показали, что минимальное разряжение при закрытом патрубке для эффективного удаления пыли из предочистителя должно составлять не менее 8000 Па. Величина замеренного и рассчитанного разряжения значительно меньше минималь-

После анализа полученных результатов с использованием пошаговой оптимизации методом последовательных приближений с учетом технологических возможностей были подобраны геометрические параметры конструкции эжекторного устройства, отвечающие перечисленным выше требованиям. На этапе оптимизации граничное условие входа описывалось как массовый расход, значение которого получено по результатам предварительного моделирования и составило 0,43 кг/с.

В таблице 2 представлены результаты экспериментальных замеров и численного моделирования оптимизированной системы удаления пыли при закрытом патрубке.

ного рекомендуемого значения.

Таблица 2 – Результаты экспериментальных замеров и моделирования

Параметр	Точка замера
	т. A	т. B \	т. C     \	т. D
Результаты экспериментальных замеров
Полное относительное давление, Па	-7980	3010	6090	–
Статическое относительное давление, Па	–	–	–	8280
Результаты моделирования
Полное относительное давление, Па	-8100	3200	6280	–

На рисунке 5 представлены поля распределения полного давления и скоростей газового потока по средней вертикальной плоскости рас- четной области для оптимизированной конструкции эжекторного устройства при закрытом патрубке.

а – поля распределения полного давления; б – поля распределения скоростей Рисунок 5 – Результаты моделирования оптимизированной конструкции эжектора

Как видно из таблицы 2, результаты экспериментальных замеров и моделирования согласуются между собой с достаточной точностью. Оптимизированная конструкция эжекторного устройства обеспечила необходимое разряжение в патрубке отсоса пыли, по экспериментальным замерам 7080 Па. Противодавление системы выпуска выхлопных газов при этом повысилось на 930 Па, что с учетом имевшегося запаса не превышает допустимого значения. Проведенные стендовые испытания с подачей пыли в предочиститель воздушного фильтра также подтвердили эффективность пылеудаления оптимизированной конструкцией, забивание предочистителя не происходило.

Заключение . Разработана методика, которая позволяет проводить моделирование процесса эжекционного отсоса пыли выхлопными газами посредством эжектора, установленного в глушителе двигателя самоходной уборочной сельскохозяйственной машины. Поскольку при моделировании используется реальная 3D геометрия изделий, результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными. Проведенные сравнения результатов моделирования и результатов экспериментальных измерений показали, что расхождения не превышают 7%.

Приведенный подход позволяет осуществить выбор оптимальной конструкции эжектора на этапе проектирования, которая обеспечивает эффективность эжекционного отсоса пыли выхлопными газами из предочистителя воздушного фильтра двигателя без ухудшения условий его работы.

Приведенная методика внедрена и успешно используется на ОАО «Гомсельмаш» при проектировании самоходных сельскохозяйственных уборочных машин.