Студенческая научно-техническая конференция...

Студенческая научно-техническая конференция

2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Самарский государственный аэрокосмический университет

имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)»

Факультет двигателей летательных аппаратов

CТУДЕНЧЕСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЛУКАЧЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ»

СБОРНИК ТРУДОВ

70-летию факультета ДЛА посвящается...

САМАРА - 2013


2

Студенческая научно-техническая конференция «Лукачёвские чтения»: сборник трудов. – СГАУ, 2013. – с. 92

В сборнике отражено содержание докладов, в которых изложены результа-ты научно-исследовательской работы студентов факультета «Двигатели лета-тельных аппаратов», представленные на II студенческой научной конференции «Лукачёвские чтения».

Тематика конференции отражает перспективы развития и применения авиадвигателей, проблемы конверсии двигателей летательных аппаратов, во-просы газовой динамики, конструкции, проектирования и надежности двигате-лей для ракетно-космических систем, газотурбинных двигателей, проблемы экологии двигателей, компьютерные технологии в проектировании и производ-стве двигателей, вопросы подготовки кадров и др.

Сборник предназначен для широкого круга научных и инженерно-технических работников, аспирантов и студентов.

Все материалы печатаются в авторской редакции.

Посвящается 70-летию факультета ДЛА

© Самарский государственный аэрокосмический университет, 2013

«Лукачёвские чтения»

3

СОДЕРЖАНИЕ Алексанова А.К. Моделирование течения в камере и сопле ЖРД ......................................... 8

Алексеев В.П. Автоматизация выбора режущего инструмента при внедрении инновационных технологий ............................................. 10

Астахова М.С. Исследование особенностей крепления двигателей к летательным аппаратам ............................................................................ 12

Ахполов Д.А., Палагин Е.С., Ортикова Ю.Б. Сравнительный расчет основных параметров регенеративного теплообменника для малоразмерной газотурбинной установки .......................................... 14

Аюпова Ю.А. Поверочный расчёт спроектированной струйно-центробежной форсунки с помощью ANSYS FLUENT ...................................................................... 16

Бадыкова Л.Р., Афанасьев К.М. Акустическая технология «Виртуальный микрофон» ............................. 17 Бакин Д.С. CFD-моделирование шнекоцентробежного насоса жидкого водорода ТНА ЖРД в ANSYS CFX ............................................ 18 Барбонов Е.О. Основные методы и схемы ожижения природного газа .......................... 19 Бобрик А.А. Сравнительный анализ характеристик регенеративных теплообменных аппаратов, используемых для повышения эффективности наземных ГТУ............... 21 Володина Л.В. Проблемы и их пути решения при контроле деталей, имеющих сложные поверхности, с использованием координатных средств измерений ............................... 23


4

Гайнуллин М.Н. Теплофизические свойства метана при криогенных температурах.................................................................... 24 Галкина Н.В. Вихревые системы охлаждения для получения криогенных температур ..................................................... 25

Горячкин Е.С. Проектирование системы управления РНА в системе SIEMEN SNX .............................................................................. 27 Евдокимов Д.В. Влияние геометрических параметров фронтового устройства на уровень эмиссии ............................................. 28 Елисеев И.К. Разработка методического обеспечения обучения для целевого кадрового сопровождения инновационных технологий работниками предприятия .......................... 29 Ефимова А.А. Современные вакуумные камеры для имитации условий космического пространства ................................. 30 Железняк К.Е. Основные характеристики баллонов для хранения сжиженных и сжатых газов ................................................. 32 Заика С.В. Использование вихревого эжекторного насадка-ускорителя в составе силовой установки летательных аппаратов .............................. 34 Иванова Е.А. Влияние теплосъема с компрессорной полости на характеристики газовой холодильной машины ................................... 35 Ильмурзина Е.Ф. Влияние мертвого объема газа на энергетические характеристики холо-дильной машины………………………………………………… .............. 37 Киселев И.А. Численное моделирование потока сжимаемого рабочего тела в трубке вентури ............................................ 38 Кокарева В.В., Малыхина О.Н. Повышение эффективности многономенклатурного производства за счёт применения интегрированных технологий ................................... 40


5

Кокарева В.В., Вдовин Р.А. Подготовка производства индивидуальных эндопротезов с помощью технологий быстрого прототипирования .............................. 42 Комаров О.А. Исследование трещиностойкости композиционных материалов ............ 44 Коротенкова Т.Н. Имитационное моделирование организации производственных процессов и управление производственными заказами в условиях использования ПО TECNOMATIX ......................................... 46 Коротенкова Т.Н. Анализ технологических проблем изготовления маложестких кольцевых деталей ........................................ 47 Костенко М.В., Берникова И.А. Оценка возможности получения энергии в комплексе СПГ за счёт применения двигателя Стирлинга ................................................. 48 Крюкова Д.Е. Оценка использования автономных систем теплоснабжения в составе энергетического комплекса бюджетной организации ............. 49 Кудинов И.В. Исследование газодинамического потока в камере РД с помощью ANSYSFLUENT ....................................................................... 51 Литвиненко Д.И. Исследование физико-химических механизмов образования окислов азота, окиси углерода и несгоревших углеводородов применительно к камерам сгорания ГТД .................................................. 52 Лукашева М.В. Оценка возможности получения дополнительной энергии в системах сжиженного природного газа за счёт использования турбодетандерных установок ............................... 54 Малыхина О.Н. Анализ процесса высокоскоростной обработки труднообрабатываемых материалов .......................................................... 56 Малюнкина Е.А. Влияние относительной температуры на холодопроизводительность холодильной машины ...................... 58


6

Мамедов А.Ч. Разработка малоразмерного газотурбинного двигателя тягой 400 Н ................................................................................................... 59 Матвеев Д.А. Составление электронных баз данных для программного комплекса «АРМС-ГРАФИКА» ................................. 61 Машков В.А. Исследование внутренних воздушных систем авиационных двигателей ............................................................................. 63 Меркулов А.А. Оценка применения термоэлектрических генераторов в регазификаторах природного газа ........................................................... 65 Нечаев А.Д. Поверочный расчет спроектированной струйно-струйной форсунки с помощью ANSYS FLUENT ...................................................................... 66 Никифорова А.А. Анализ тенденций развития авиационных ТРДД ..................................... 67 Николаев И.Е. Анализ получаемой погрешности после обработки, связанной с вибрацией в технологической системе, с помощью CAE системы ANSYS .............................................................. 68 Никонова Е.А. CFD-моделирование одноступенчатой осевой предкамерной турбины ТНА ЖРД в ANSYS CFX ............................................................................................... 70 Новиков А.В. Основные проблемы хранения сжиженного природного газа ................. 71 Остапюк Я.А. Исследование конструкций антипомпажных устройств авиационных двигателей .............................. 73 Паровай Е.Ф. Исследование зависимостей характеристик гидродинамических подшипников т конструкционных и эксплуатационных факторов и от особенностей выбора расчётной модели ........................................... 75 Радин Д.В., Волков М.В. Изучение резьбового соединения ............................................................... 77


7

Сереброва Е.Д., Унжина М.А., Яворович Е.В., Елисеев И.К. Разработка методики получения феноменологических моделей реологических свойств труднообрабатываемых материалов с помощью моделирования процессов высокоскоростной обработки материалов, применяемых для авиастроения ................................................................. 78 Сереброва Е.Д. Разработка стратегии изготовления кольцевых деталей с использованием инновационных технологий ........................................ 79 Сотов А.В. Разработка методики выбора оборудования при техническом перевооружении производства ГТД ............................. 80 Унжина М.А. Создание инновационных технологий изготовления маложестких сложнопрофильных деталей ........................ 82 Филинов Е.П. Проблемы применения композиционных материалов в авиационном двигателестроении ............................................................. 84 Фофанова А.В. Оценка возможности реализации контроля технологических параметров с использованием аппаратно-программных возможностей оборудования с ЧПУ ................................................................................... 85 Штрауб А.А., Зубанов В.М. Исследование влияния параметров сетки и моделей турбулентности на результаты CFD-расчётов плоских решеток ЦИАМ ........................... 86 Яворович Е.В. Анализ заготовительных технологий для гибкого многономенклатурного производства .................................. 88 Янюкина М.В. Основные методы повышения эффективности использования газа на компрессорных станциях ....................................................................... 90


8

УДК 621.45.023

Алексанова А.К. Научный руководитель:

Шаблий Л.С., к.т.н., ассистент

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ В КАМЕРЕ И СОПЛЕ ЖРД

Данная работа посвящена расчёту процесса в камере и сопле ЖРД. Задача решалась в 5 этапов.

1. Создание геометрии. Задача решалась в двухмерной постановке. Строилась половина модели, т. к. она является симметричной. За начало координат принималась точка на оси в начале модели. С помощью двух прямых была построена камера. Сопряжением трех дуг окружности по-строен переход между камерой и соплом. Прямой, перпендикулярной оси обозначался конец модели. Был намечен контур сопла: строились две пе-ресекающиеся прямые под углами 46º и 13º к оси сопла и были разделены точками на 6 равных отрезков. Эти точки соединялись по порядку и про-водилась сплайн-линия. Получился окончательный контур.

2. Построение сетки. Вся фигура делилась на элементы размером 5 мм. Область перехода камеры в сопло делилась на более мелкие эле-менты по 3 мм, так как эта область является самым узким участком мо-дели (горло) (см. рис. 1).

Рис. 1. Построение сетки в программе Ansys


9

3. Задание условий, необходимых для решения. Были заданы вход-ное (вход в камеру сгорания) и выходное (выход из сопла) отверстия, были обозначены поверхности симметрии, так как была построена только половина модели. Также в качестве рабочего тела были заданы вещества, принимающие участие в процессе: жидкий кислород и жид-кий водород в соотношении O2ж = 0,8587, H2ж = 0,1413. Компоненты по-ступают в камеру под давлением 21 МПа, а выходят в космическое про-странство, где давление равно 0.

4. Расчёт. Элемент за элементом программой рассчитывалось рас-пределение основных параметров камеры и сопла с заданным шагом и числом итераций. Расчёт проводился в несколько шагов для получения как можно более точного результата. Последовательно были проведены 2000 итераций при значении шага 0,001; затем 2000 при значении 0,01; затем ещё 4000 при значении 0,1.

5. Просмотр результатов расчёта. Результаты расчета могут быть просмотрены наглядно в виде распределения основных параметров по всей длине камеры, а также в виде графиков зависимости этих парамет-ров от различных координат (рис. 2).

Рис. 2. График зависимости числа Маха от длины камеры и сопла

Проведённый расчёт показывает распределение основных газоди-намических параметров по длине камеры и сопла – координата X, а так-же в других направлениях – координаты Y и Z в любых сечения, что по-зволяет наглядно оценить и внести необходимые изменения и дополне-ния в процесс течения.


10

УДК 658.5.011 Алексеев В.П.

Научный руководитель: Проничев Н.Д., д.т.н., профессор

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

ПРИ ВНЕДРЕНИИ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Целью предлагаемой образовательной технологии является созда-ние электронной базы данных режущего инструмента, позволяющей пользователю выбирать электронные модели режущего инструмента с учётом специфики авиадвигательного производства.

Предлагаемая образовательная тех-нология решает следующие задачи:

– совершенствование технологи-ческой подготовки производства из-делий аэрокосмической отрасли;

– повышение уровня самостоя-тельной работы студентов в курсовом и дипломном проектировании при подготовке производства и разработ-ке технологий изготовления изделий аэрокосмической отрасли;

– развитие конкурентоспособной информационной научно-образователь-ной среды и инфраструктуры уни-верситета.

Практически все фирмы предла-гают каталоги и методики выбора ре-жущего инструмента. Исходя из ана-лиза предлагаемых методик, можно сделать вывод, что все они дают при-мерно одинаковые рекомендации по выбору инструмента.

Выбор режущего инструмента может выполняться в следующей по-следовательности (рис. 1):

Конечным этапом оптимального выбора режущего инструмента явля-ется привязка выбранной пластины к

Рис. 1. Схема выбора режущего инструмента


11

режимам резания, которые получены по рекомендациям инструмен-тальных фирм и результатам экспериментальных исследований в реаль-ных производственных условиях.

Разработанная структурная схема оптимального выбора режущего инструмента позволяет осуществить программирование, которое было реализовано в среде Delphi.

На рис. 2 представлена схема расположения объектов на рабочем поле программы.

Рис. 3. Загрузка базы данных

Программы управления кнопками и областями позволяют выбирать классификационные признаки, а также признаки, определяющие особые условия. Выбранный с использованием информационно-поисковой сис-темы режущий инструмент может быть выведен на экран для проведе-ния анализа и передачи в технологическую документацию.

Рис. 4. Итоговый результат по выбору режущего инструмента

Рис. 2. Схема расположения объектов на рабочем столе:

A – область, в которой прописываются классификационные признаки; Б – область, в которой происходит вы-бор признака


12

УДК 621.452.3 Астахова М.С.

Научный руководитель: Виноградов А.С., к.т.н., доцент

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ КРЕПЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ

К ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТАМ

Крепление двигателя к летательному аппарату должно восприни-мать все нагрузки, возникающие в полёте, поглощать вибрации двига-теля, быть прочным и жёстким при минимальной массе, компенсиро-вать температурные деформации корпуса двигателя, обеспечить удобст-во монтажа и демонтажа.

Крепление, как и подвеска при транспортировке, производится по-средством специальных узлов, устанавливаемых на силовом корпусе двигателя, которые в общем случае передают: тягу; силы инерции масс двигателя, возникающие при эволюции самолёта; гироскопический мо-мент от ротора двигателя, определяемый угловыми скоростями ротора и эволюцией самолета Q; силы инерции и момент, возникающий от не-уравновешенности ротора двигателя, отбалансированного с определён-ной степенью точности. Воздействуя на корпус, вызывают овализацию круглого сечения корпуса, искажение радиальных зазоров в трактате компрессора и турбины, в уплотнениях опор ротора, что снижает КПД двигателя, нарушает работу системы охлаждения, маслосистемы опор и системы разгрузки РУП.

Конструктивная схема крепления двигателя к летательному аппа-рату зависит от типа двигателя и его конструкции.

При разрушении одной из частей крепления двигателя к летатель-ному аппарату в передней и задней плоскостях подвески, или штанги съёма тяги, происходит смещение двигателя относительно пилона лета-тельного аппарата. При этом нагрузки, действующие на остальные узлы крепления двигателей на летательных аппаратах, могут превысить рас-чётные, что по-прежнему продолжает обострять в мировой авиации ак-туальность поисков необходимых решений.

В процессе исследования крепления двигателя к летательному ап-парату решалась задача расчёта на прочность подвески двигателя Д-18Т и силового корпуса.

Для обеспечения наглядности с помощью программного обеспече-ния КОМПАС в 2D построены схемы подвесок переднего и заднего поясов с расположением стержней. Система уравнений для равновесия


13

твёрдого тела будет содержать шесть уравнений, поэтому целесообраз-но было проектировать подвеску, состоящую из шести стержней. Сформулированы основные эксплуатационные характеристики всех по-лётных режимов: разбег-взлет, неспокойный воздух, динамика посадки, аварийная посадка. Схема подвешивания принимается статически опре-делимой. Находятся составляющие внешних нагрузок: массовый мо-мент инерции относительно соответствующей оси, угловое ускорение относительно тех же осей, максимальный гироскопический момент от ротора двигателя. С помощью программного обеспечения КОМПАС построена модель подвески в 3D, с помощью модели получен массовый момент инерции. Получены координаты узлов подвески двигателя. Рас-чёт усилий в стержнях подвески заключается в решении векторного уравнения с помощью элементов программирования в среде MathCAD при использовании встроенного решателя Given-Find. Анализируя, по-лучены минимальные значения усилий в стержнях на всех режимах. Произведён расчёт на несущую способность по максимальному из уси-лий с выбором коэффициента запаса и материала стержней. Площадь поперечного сечения определяется по условию прочности.

В результате рассчитан необходимый диаметр стержня и внутрен-ний диаметр. Смоделировано в 3D соединение стержня, кронштейна и соединяющего их болта в программном обеспечении КОМПАС. Из ус-ловия прочности на срез и смятие определен диаметр болтов. Спроекти-рована 3D модель стержня подвески, подвеска с помощью программно-го обеспечения КОМПАС (см. рис.).

Рис. Трехмерная модель подвески двигателя

Инженерный подход субъективен и требует в дальнейшем большо-го объёма экспериментальных работ.


14

УДК 621.452.3 Ахполов Д.А., Палагин Е.С., Ортикова Ю.Б.

Научный руководитель: Бирюк В.В., д.т.н., профессор

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНОЙ

ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Основной целью данной научной работы являлся выбор оптималь-ного типа регенеративного теплообменника для малоразмерной газо-турбинной установки. Критериями выбора теплообменника служили га-баритные размеры, тепловые параметры и гидравлические потери. Сравнение характеристик рассматривалось между кожухо-трубчатым и пластинчато-ребристым теплообменниками.

Кожухо-трубчатые теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929-82 стальные кожухо-трубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН – с неподвижными трубными решетками; ТК – с темпера-турным компенсатором на кожухе; ТП – с плавающей головкой; ТУ – с U-образными трубами; ТПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней. Основными элементами кожухо-трубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой. По сравнению с пластинчато-ребристым, данный рекуператор имеет некоторые преимущества, такие как лёгкая чистка теплопередаю-щей поверхности, простая конструкция и сравнительно небольшая стоимость. Основным недостатком кожухо-трубчатых теплообменников являются большие габариты.

Теплообменники с рассечённой пластинчато-ребристой рабочей по-верхностью конструктивно выполняются в виде чередующихся воздуш-ных и газовых пакетов, которые, в свою очередь, представляют собой чередование тонких листов и гофрированных пластин. Перспективность применения теплообменников с рассеченной пластинчато-ребристой поверхностью теплообмена для регенерации тепла в ГТД обуславлива-ется тем, что при прочих равных условиях их коэффициент компактно-сти может превышать 1000 м2/м3. При прохождении теплоносителя вдоль длины каналов рассеченной пластинчато-ребристой поверхности периодически образуются граничные вихри, интенсивность которых


15

определяется как газодинамическим эффектом входа потока в канал, так и конечной толщиной ребра.

К теплообменникам газотурбинных установок предъявляют сле-дующие требования: высокая компактность, малая металлоёмкость, возможность компоновки в цилиндрическом корпусе, герметичность и стабильность теплогидравлических характеристик в пределах эксплуа-тационного цикла. Первым этапом выполнения работы являлись конст-рукторский и проектный расчёт описанных выше теплообменников. В результате расчётов определено, что пластинчато-ребристый теплооб-менник наиболее оптимален для газотурбинной установки по сравне-нию с кожухо-трубчатым. Этому способствуют следующие показатели: габаритные размеры, коэффициент компактности и масса рекуператора.

Таблица Сравнение полученных характеристик

рассчитанных теплообменников для ГТУ мощностью 100 кВт

Показатель Тип теплообменника

Кожухо-трубчатый Пластинчатый

Габаритные размеры D = 0,663 м L = 3 м 0,77 × 0,55 × 0,71 м

Коэффициент компактности 95,3 273

Выходные параметры (хол./гор.):

– Твых , К 901/536 861,7/576,8

– Рвых , кПа 431,6/106 438,2/104,1

– N, Вт 7716/8373 3746/10623

Следующим этапом выполнения научной работы будут построение трёхмерной модели пластинчато-ребристого теплообменника в Solid-Works с последующим импортированием в систему конечно-элемент-ного анализа ANSYS Fluent, для получения данных о численной модели. Далее будет проведен сравнительный анализ результатов, полученных при помощи численного моделирования, с первоначальным проектным расчётом.


16

УДК 629.7.036(075.8) Аюпова Ю.А.

Научный руководитель: Егорычев В.С., к.т.н., доцент

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ СПРОЕКТИРОВАННОЙ

СТРУЙНО-ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ФОРСУНКИ С ПОМОЩЬЮ ANSYS FLUENT

В рамках курсовой работы «Расчёт и проектирование смесеобразо-вания в жидкостном ракетном двигателе» мною была спроектирована струйно-центробежная форсунка и рассчитаны её параметры. Целью моего исследования является проверка данного метода расчёта с более точным, представленным в ANSYS Fluent, который позволяет рассмот-реть смешение и распыление струй компонентов в графическом виде на протяжении проточной части всей форсунки.

В данной научной работе я провела поверочный расчёт спроекти-рованной двухкомпонентной струйно-центробежной форсунки откры-того типа с внутренним смешением установленной в смесительной го-ловке камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя первой ступе-ни ракетоносителя, работающего на компонентах жидкий кислород и керосин (О2ж и CH1,958), являющихся наиболее распространенными и наиболее экологически чистыми по сравнению с существующими в на-стоящее время. Расчёт был проведен при условиях, близких к реальным условиям работы форсунки на данной ступени летательного аппарата в пакете ANSYS Fluent, являющегося частью программного комплекса ANSYS Workbench.

Результаты поверочного расчёта показали, что спроектированная форсунка обеспечивает необходимые для хорошего смесеобразования параметры. В центробежной её части с помощью шести тангенциальных отверстий, расположенных в два яруса, обеспечивается необходимая за-крутка струй без перекрытия ими друг друга и без их распада. Вся же она в целом обеспечивает необходимый расход генераторного газа, мелкодисперсное распыление и соударение струй, пелён и капель.


17

УДК 681.884 Бадыкова Л.Р., Афанасьев К.М.

Научный руководитель: Иголкин А.А., к.т.н., доцент

АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ «ВИРТУАЛЬНЫЙ МИКРОФОН»

Целью технологии «Виртуальный микрофон» является фильтрация полезных сигналов от ненужных звуков, обеспечение улучшенного ка-чества звучания, а так же повышение безопасности в местах массового скопления людей.

Для проведения исследований использовались акустическая камера Norsonic Nor848, программное обеспечение AudioScope (рис. 1). После проверки работоспособности идеи, необходима проработка вопросов об изготовлении акустической решетки и программного обеспечения с улучшенными характеристиками. Акустическая камера служит для ло-кализации источников шума и работает на основе метода бимформинга (от англ. beamforming – формирование луча). Принцип действия этого метода: решетка с микрофонами находится в дальнем поле, звуковые волны – плоские. Формирование картины происходит за счёт определе-ния временной задержки поступления сигнала на микрофоны.

Рис. 1. Внешний вид акустической камеры

Norsonic

Рис. 2. Плоские волны, попадающие на решетку

в дальнем поле

Акустический комфорт имеет важное значение, поэтому необходи-мо оборудование для фильтрации звуковых сигналов и быстрая обра-ботка полученных данных. Разрабатываемая технология позволяет про-водить обработку полученных данных в режиме реального времени.


18

УДК 629.7.036 Бакин Д.С.

Научный руководитель: Сулинов А.В., к.т.н., доцент

CFD-МОДЕЛИРОВАНИЕ ШНЕКОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

ЖИДКОГО ВОДОРОДА ТНА ЖРД В ANSYS CFX

Целью работы было моделирование рабочего процесса ступени шне-коцентробежного насоса (ШЦБН) жидкого водорода турбонасосного аг-регата (ТНА) жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) в ANSYS CFX.

CFD-моделирование шнекоцентробежного насоса ТНА ЖРД вы-полнялось в пять этапов. На первом этапе осуществлялось построение геометрии проточной части ШЦБН по данным, полученным в результа-те ранее проведенного проектного расчета исследуемого насоса.

Создание геометрии выполнялось с помощью программного обес-печения Solid Edge с последующим конвертацией в ANSYS CFX.

На втором этапе обеспечивалось построение сетки. Размер сетки основного потока – 5 мм, в пристеночном слое – от 1 до 2 мм.

На третьем этапе моделирования задавались начальные и гранич-ные условия. Температура жидкого водорода на входе в насос составля-ла 15 К. Моделирование насоса проводилось без учёта сжимаемости жидкого водорода.

На четвёртом этапе выполнялось расчётное исследование. Задачей пятого этапа было

проведение анализа полученных результатов с выводом распреде-ления основных параметров ра-бочего тела (давления, скорости) в виде изображений в различных характерных сечениях насоса (см. рис.). Сравнение осреднён-ных параметров в характерных сечениях насоса с данными про-ектного расчёта показало необ-ходимость учёта в дальнейшем сжимаемости жидкого водорода для проведения уточненного мо-делирования ШЦБН.

Рис. Распределение статического давления по проточной части ШЦБН


19

УДК 621.6.05 Барбонов Е.О.

Научный руководитель: Угланов Д.А., к.т.н., доцент

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ И СХЕМЫ ОЖИЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

В настоящее время для ожижения природного газа его необходимо сначала сжать до высокого давления, а затем охладить до 169,4 К. В со-временной технике для ожижения природного газа, который предвари-тельно очищается в специальных фильтрах, используются три основных способа: классический каскадный цикл, цикл с расширением, и каскад-ный цикл со смешанным охлаждением.

Как правило, каскадная схема охлаждения используется для ожи-жения природного газа и его компонентов (пропан, этилен, бутан) за счёт последовательного испарения каждого компонента (рис. 1). За счёт выпаривания каждого компонента при определенных давлениях эффек-тивность процесса ожижения природного газа увеличивается. Однако это приводит к усложнению такой системы.

Рис. 1. Схема каскадного цикла для ожижения СПГ

В цикле с расширением используется охлаждающий эффект рас-ширения природного газа с последующим ожижением. В этом процессе используются расширительные турбины ожижения совместно с дроссе-лированием через специальный клапан (рис. 2).


20

Рис. 2. Схема двойного цикла с расширением для ожижения СПГ

В этом цикле для повышения эффективности возможно использо-вание азота, имеющего более низкую температуру. Он циркулирует по своему замкнутому контуру и используется для выдавливания азота и метана из азотной колонны. После этого процесса два этих компонента отделяются в колонне для сепарации метана.

Многокомпонентный каскадный цикл со смешанным охлаждением основан на том же физическом принципе, что и широко распространен-ный каскадный цикл, но вместо трех отдельных контуров охлаждения, в состав которых входят свои отдельные компрессоры, здесь использует-ся единый контур охлаждения, оснащенный компрессором.

В случае изменения состава газа, подаваемого через контур, необхо-димо изменить параметры охладителя для того, чтобы обеспечить термо-динамическую эффективность системы. В данных системах хладагент не-однократно сжимается, выпаривается, отделяется и расширяется. Основ-ной недостаток цикла ожижения со смешением заключается в том, что возникает двухфазовое течение многокомпонентной смеси в теплооб-меннике, что ведет к трудности последовательной сепарации компонен-тов из нее. По этой причине при проектировании систем ожижения такого типа необходимо на более высоком уровне учитывать поведение газооб-разных веществ при криогенных температурах и фазовых переходах.


21

УДК 621.452.3 Бобрик А.А.


СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАЗЕМНЫХ ГТУ

Основными задачами данной научной работы являлись конструк-торский, тепловой и гидравлический расчёт регенеративных теплооб-менных аппаратов пластинчато-ребристого и кожухо-трубчатого типов с последующим сравнением полученных характеристик и размеров.

Пластинчато-ребристый теплообменный аппарат представляет со-бой конструкцию, состоящую из двух металлических пластин, про-странство между которыми заполнено гофрированной лентой. Форма этой ленты выбирается исходя из исходных данных для расчёта. Эта конструкция называется пакетом. Количество и размеры пакета опреде-ляются тепловой нагрузкой и геометрическими требованиями. Главным преимуществом пластинчато-ребристого теплообменника является то, что соотношение площади теплообмена к габаритному размеру гораздо выше, чем у теплообменных аппаратов другого типа. Также есть воз-можность выбора схемы течения рабочего тела. Поверхность теплооб-мена для каждого потока может быть выбрана независимо, что позволя-ет выбирать форму поверхности оптимальной для каждого потока теп-лоносителя.

Перспективность применения теплообменников с рассеченной пла-стинчато-ребристой поверхностью теплообмена для регенерации тепла в ГТД обуславливается тем, что при прочих равных условиях их коэф-фициент компактности может превышать 1000 м2/м3.

Кожухо-трубчатый теплообменный аппарат представляет собой конструкцию, состоящую из пучка труб, закрепленных в трубных ре-шетках, которые охвачены кожухом, снабженным днищами и патрубка-ми для входа и выхода газа и воздуха. Достоинствами таких теплооб-менных аппаратов являются: компактное размещения большой тепло-передающей поверхности в единице объема, легко производимая чистка и замена трубок, проведение процессов теплообмена по принципу про-тивотока. Основной недостаток – большие массо-габаритные характе-ристики.


22

После определения основных параметров теплообменников обоих типов был проведён проверочный расчёт для соответствия рассчитан-ных параметров изначально заданным требованиям.

В результате работы определено, что выбор оптимальных форм и размеров поверхности нагрева теплообменника оказывает влияние на соотношение между поверхностью теплообмена и расходом энергии на движение теплоносителей. Первоначальный этап работы заключается в выборе исходных конструктивных соотношений для компоновки тепло-обменника, в определении площади рабочей поверхности теплообмен-ника и его основных размеров, потерь давления теплоносителя при про-хождении его через аппарат, затрат мощности на прокачку холодного теплоносителя.

Таблица Сравнение полученных характеристик

рассчитанных теплообменников для ГТУ мощностью 100 кВт

Показатель Тип теплообменника

Кожухо-трубчатый Пластинчатый

Габаритные размеры D = 0,663 м L = 3 м 0,77 × 0,55 × 0,71 м

Коэффициент компактности 95,3 273

Выходные параметры (хол./гор.):

– Твых , К 901/536 861,7/576,8

– Рвых , кПа 431,6/106 438,2/104,1

– N, Вт 7716/8373 3746/10623

Следующим этапом выполнения научной работы будут построение трёхмерной модели пластинчато-ребристого теплообменного аппарата в расчётном комплексе ANSYS Fluent и сравнение полученных данных с результатами расчётов, проведённых на первом этапе.


23

УДК 621.9.08 Володина Л.В.

Научный руководитель: Болотов М.А., к.т.н., ассистент

ПРОБЛЕМЫ И ИХ ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРИ КОНТРОЛЕ ДЕТАЛЕЙ,

ИМЕЮЩИХ СЛОЖНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КООРДИНАТНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

В аэрокосмической отрасли присутствует большое количество де-талей, имеющих сложные поверхности. Например, к ним относятся де-тали образующие проточную часть авиационных двигателей (лопатки) и детали, формирующие обтекаемый профиль летательных аппаратов (об-текатели, крылья). Точность изготовления таких поверхностей опреде-ляет эксплуатационные характеристики изделий. При их изготовлении важно оценивать фактическую геометрию, что зачастую делается с ис-пользованием координатных средств измерений (например, координат-но-измерительных машин). На сегодняшний день наиболее точным ме-тодом измерений является контактный.

При контроле сложных поверхностей деталей контактным методом возникают проблемы, сказывающиеся на точности измерений. Можно отметить ряд из них: точная компенсация радиуса измерительного на-конечника; погрешности от деформаций, обусловленных собственным весом.

Проблема точной компенсации обусловлена принципом измерения с использованием сферического наконечника. Погрешность измерения возникает из-за большой разности теоретической (заданной по чертежу) и фактической нормалей поверхности. Для оценки погрешности изме-рения и определения условий, при которых они будут находиться в до-пустимых переделах, необходимо разрабатывать модели процесса изме-рения. Проблема с деформациями решается посредством разработки специализированной оснастки.

Исследование процесса измерения сложных поверхностей прово-дится с использованием теории вероятности, математической статисти-ки и аналитической геометрии.

Результаты исследований показывают сильное влияние параметров методики выполнения измерения (МВИ) на погрешность измерения. Доля влияния погрешности измерения, обусловленная факторами МВИ, в общей составляющей погрешности во множестве случаев превосходит влияние инструментальной погрешности измерительного средства. Варьи-рование параметрами МВИ позволяет значительно снизить погрешности.


24

УДК 621.6.5 Гайнуллин М.Н.


ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАНА ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Метан является одним из основных элементов сжиженного при-родного газа и от его теплофизических характеристик зависят свойства сжиженного природного газа (СПГ).

При проектировании аппаратуры для комплексов на СПГ и при ис-пользовании его в качестве рабочего вещества в криогенной технике необходимо использовать подробные и точные табличные значения термических и калорических свойств метана при низких температурах, включая свойства жидкой фазы.

При этом поведение основных термодинамических параметров при низких температурах не подчиняется закону Менделеева и Клапейрона. Для расчёта фазовых переходов в сложных системах и комплексах на СПГ необходимо использовать современные информационные техноло-гии. Например, для описания типовых процессов возможно использо-вать CAE-системы, ANSYS Fluent. Однако для криогенных систем не-обходимо задавать теоритические или эмпирические зависимости изме-нений термодинамических параметров от температуры или давления.

На данном этапе работы были составлены эмпирические зависимо-сти для метана при различных температурах, примеры которых пред-ставлены в таблице.

Таблица Эмпирические зависимости для метана

при температурах 120 К и 150 К

T, К 120 135

V, м3/кг v = 0,3769 ⋅ е-0,596p v = 1,889 ⋅ е-0,722p

S, кДж/(К⋅ кг) s = 9,2233 ⋅ е-0,068p s = 11,278 ⋅ е-0,075p

h, кДж/кг h = 1199,9 ⋅ е-0,056p h = 1446,7 ⋅ е-0,063p

Cp , кДж/(К⋅ кг) Cp = 2,0855 ⋅ е0,0206p Cp = 2,044 ⋅ е0,0243p

На следующем этапе предполагается их систематизировать при создании UDF-функций, необходимых для расчёта и моделирования фа-зовых процессов в криогенных системах, проектированных в СГАУ.


25

УДК 621.5 Галкина Н.В.


ВИХРЕВЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Успешное использование вихревого эффекта во многих областях жизнедеятельности человека объясняется спецификой работы вихревых аппаратов. В камере разделения одновременно протекают следующие процессы: разделение потоков сжатого газа на охлажденный и нагретый потоки, отвод теплоты газа в окружающую среду, фазовое разделение двухфазных смесей. Другие важные особенности работы вихревого ап-парата: малая инерционность, нечувствительность к гравитационным силам, вибрациям и механическим перегрузкам.

Для получения глубокого охлаждения в цикле с вихревой трубой можно использовать каскадное (рис. 1) или ступенчатое (рис. 2) охлаж-дение, совмещая его с регенерацией.

Рис. 1. Каскадная схема работы вихревых труб

Рис. 2. Ступенчатая схема работы вихревых труб

Эффективность работы вихревой трубы может быть повышена за счет охлаждения водой горячего конца трубы и увеличения доли холод-ного воздуха μ, причем энергию окружающей среде можно полностью передавать не с горячим потоком, а в виде теплоты с охлаждающей во-дой: проточной или барботируемой горячим воздухом.

Следует отметить, что использование вихревых аппаратов позволя-ет создавать системы и установки с качественно новыми характеристи-


26

ками. Так, вихревые охладители позволяют создавать практически бе-зынерционные системы с неограниченным сроком службы.

На современном уровне развития вихревых аппаратов возросла ак-туальность исследований, направленных на более глубокое изучение процессов, совершенствование конструкции и технологии изготовления отдельных узлов. Отсутствие строгой теории наиболее остро встаёт при проектировании систем и установок, в которых вихревой аппарат явля-ется одним из главных агрегатов. В связи с этим главной задачей стано-вится разработка данной теории и моделирование процессов, происхо-дящих в разделительной камере.

Опыт использования вихревых устройств показал, что термоди-намическая эффективность не является единственной в определении производственной целесообразности использования вихревого эффек-та, т. к. часто превалирующими факторами применения того или дру-гого метода получения холода является стоимость установки и её экс-плуатации, ресурс, надежность, диапазон работы, габариты и масса, мобильность и другие, в которых вихревые устройства имеют явное преимущество.


27

УДК 621.452.3 Горячкин Е.С.

Научный руководитель: Старцев Н.И., к.т.н., профессор

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РНА В СИСТЕМЕ SIEMENS NX

Авиационный двигатель – многорежимная машина. Для обеспече-ния необходимых запасов газодинамической устойчивости компрессо-ров на переходных режимах применяют регулируемые направляющие аппараты.

Система управления регулируемыми направляющими аппаратами – сложное техническое изделие, объект, входящий в состав объекта более высокого уровня – компрессора.

Для проектирования объекта более низкого уровня, необходимо выделить из объекта функциональные и структурные связи.

В данном случае функциональными связями будет поворот лопаток на заданный угол β, структурными связями – геометрические размеры лопатки.

Подобное разделение позволяет сформировать полный набор ис-ходных данных, необходимых для проектирования системы управления.

Для подробной проработки конструкции система управления ском-понована в объёме с помощью системы NX.

Рис. Система управления РНА

Проведен динамический анализ и определены усилия во всех шар-нирах системы управления, скорость и ускорения поворота лопаток. Получены все необходимые данные для дальнейшей проработки и оп-тимизации конструкции.


28

УДК 621.452.3 Евдокимов Д.В.

Научный руководители: Виноградов А.С., к.т.н., доцент,

Диденко А.А., к.т.н., доцент

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФРОНТОВОГО УСТРОЙСТВА

НА УРОВЕНЬ ЭМИССИИ

В данной работе основой является двигатель PRATT and WHIT-NEY ЕЕЕ. Данный двигатель создавался в 70-е годы и, соответственно, к нынешнему времени устарел, с другой стороны его модернизирован-ные образцы с успехом эксплуатируются на воздушных судах. Данная работа нацелена на разработку камеры сгорания, имеющей параметры эмиссии, удовлетворяющие нормам ИКАО. Двигатель ЕЕЕ претерпел модернизацию, в ходе которой приобрел новые характеристики: была повышена тяга и снижен удельный расход топлива. Этапы модерниза-ции представлены в проекте.

Основываясь на параметрах входа потока и его выхода из камеры сгорания, был произведён гидравлический расчёт камеры и включает в себя пункты по расчёту радиусов размещения рукавов, жаровой трубы, размещения фронтового устройства, длины жаровой трубы, размер и геометрия отверстий, впускающих вторичный воздух, расчёт потерь давления и энергии, расчёт в сечениях камеры сгорания таких парамет-ров, как плотность, давление, температура, значения газодинамических функций, тепломассовых характеристик и их распределение по длине жаровой трубы, расчет коэффициентов избытка воздуха.

Для полноты визуального восприятия картины, будут создаваться иллюстрации, заложенные на чертежах проектируемой камеры сгора-ния, касающиеся распределения расходов, давлений, скоростей и про-чих параметров по узлу. Также созданы элементы чертежной докумен-тации с подробнейшим описанием процессов, происходящих в элемен-тах топливной системы и системы розжига.

Произведён поверочный расчёт камеры сгорания на гидравличе-ские параметры, который является обязательным последним шагом в утверждении ранее рассчитанных параметров камеры сгорания. На эта-пах проектирования оценивается потенциал камеры сгорания в области выбросов.


29

УДК 621.431.75 Елисеев И.К.

Научный руководитель: Балякин А.В., инженер, ассистент

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБУЧЕНИЯ

ДЛЯ ЦЕЛЕВОГО КАДРОВОГО СОПРОВОЖДЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

РАБОТНИКАМИ ПРЕДПРИЯТИЯ

Современный уровень проектирования процессов технологической подготовки производства предполагает широкое использование ин-формационных технологий. Технологи используют объёмные (3D) мо-дели изделий, узлов, деталей, оборудования, средств технологического оснащения и инструмента. Они являются основой при проектировании оптимальных технологических процессов изготовления деталей, загото-вок, формообразующей оснастки и пр. на современном высокопроизво-дительном оборудовании.

В научной лаборатории представлены системы ЧПУ как ведущих мировых производителей (heidenhain, Siemens Sinumerik, Fanuc, HAAS), так и отечественного производителя систем ЧПУ – БалтСистем NC-201М. В связи с этим актуальным становится вопрос разработки методическо-го обеспечения обучения для целевого кадрового сопровождения инно-вационных технологий:

а) разработка учебных курсов по изучению стоек с ЧПУ: Siemens, Fanuc, NC-201М;

б) использование пультов-тренажеров Heidenhein, Siemens, HAAS для подготовки и переподготовки специалистов;

в) использование «виртуальных» тренажеров NC, Fanuc; г) использование токарного учебно-производственного станка с ЧПУ

с интерактивным пультом оператора для подготовки и переподготовки операторов и наладчиков станков с ЧПУ.

Полученное в результате методическое обеспечение используется для занятий студентами на лабораторных и практических работах, при работе над курсовыми и дипломными проектами, так же для подготовки и переподготовки специалистов в интересах предприятий самарского аэрокосмического кластера.

В результате такой подготовки выпускники нашего университета будут уверенно чувствовать себя на предприятиях, ставящих задачи со-временного проектирования и новых подходов в изготовлении изделий.


30

УДК 621.52 Ефимова А.А.


СОВРЕМЕННЫЕ ВАКУУМНЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИМИТАЦИИ УСЛОВИЙ

КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Экспериментальные исследования тепловых процессов, низких тем-ператур, поверхностных явлений, ядерных и термоядерных реакций осу-ществляются в вакуумных установках. Широкое применение вакуумная техника получила в области авиации и космической техники, где перво-степенное значение имеет всесторонняя проверка работы деталей, аппа-ратов и приборов в условиях космического пространства. Для воспроиз-ведения условий высоких слоев атмосферы и космического пространства применяют вакуумные камеры. Применение такой вакуумной техники позволяет создать внешние воздействующие факторы: климатические (температура, влажность и давление воздуха, солнечная радиация, атмо-сферные осадки и др.) и механические (вибрация, удар, ускорение и др.), а также экспериментально определить характеристики объекта в резуль-тате воздействия на него указанных факторов. Вакуумные камеры состоят из нескольких блоков: собственно камера, холодильный агрегат, вакуум-ный насос, пульт управления и сигнализации (см. рис.).

Рис. Схема вакуумной камеры:

1 – дверь; 2 – окно; 3 – запорное устройство; 4 – уплотнение; 5 – полезный объём; 6 – вентилятор; 7 – пульт сигнализации и управления;

8 – нагнетательный канал; 9, 11 – решетки; 10 – теплоизолированный корпус; 12 – вентилятор; 13 – электродвигатель; 14 – испаритель;

15 –электронагреватель; 16 – холодильный агрегат.


31

По степени создаваемого вакуума их можно разделить на камеры, воспроизводящие условия в высоких слоях атмосферы, в которых под-держивается относительно невысокий вакуум (10-4 Па), и имитаторы космического пространства, где необходимо поддерживать сверхвысо-кий вакуум (10-7 Па).

В настоящее время в СГАУ ведется работа по созданию новой ва-куумной камеры с порядком вакуума 10-7 Па и температурным диапазо-ном от -70 до -150 ºС. Анализируется возможность получения большего значения полезного объёма, что является одной из основных техниче-ских характеристик испытательной камеры. Корпус цилиндрической формы позволит обеспечить большую прочность и устойчивость к на-грузке. Предлагается расположить теплоизоляцию преимущественно снаружи вакуумируемого пространства, так как изоляция содержит в порах газ, для удаления которого требуется повышенная производи-тельность вакуумного насоса.

В вакуумных камерах применяют два вида испарителей: воздухо-охладители для передачи теплоты в основном конвекцией и панельные батареи для радиационного охлаждения при вакууме. Рассмотрены пер-спективы расположения панельных батарей ближе к испытываемому объекту с целью увеличения эффективной площади поверхности радиа-ционного теплообмена. А также перспективы расположения воздухоох-ладителей вдоль стенок в промежутке между корпусом и панелями, ог-раждающими полезный объем. Такое распределение воздухоохладите-лей обеспечит равномерность температуры воздуха в охлаждаемом про-странстве и рациональное использование пространства.

Использование предлагаемой вакуумной камеры предназначено для исследования объекта при определенной температуре, а также ва-куума в определенных диапазонах, с заданной скоростью их изменения и определенной точностью поддержания. Это позволит определить до-пустимые технические характеристики объекта и улучшить эффектив-ность его работы в условиях космического пространства.


32

УДК 621.6.05 Железняк К.Е.


ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БАЛЛОНОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННЫХ И СЖАТЫХ ГАЗОВ

Во многих отраслях промышленности применяются баллоны для хранения сжиженных и компримированных газов. Сегодня всё чаще распространяется технология использования топлива из криогенно-жидкого состояния. Потребность в хранении криогенных жидкостей очевидна, т. к. это требует создания новых топливных ёмкостей.

В данной работе проведен анализ главных технических факторов, влияющих на условия хранения криогенных жидкостей в резервуарах и баллонах.

Основными характеристиками являются, во-первых, изоляция, так как она связана с темпом испарения, во-вторых, зависимость скорости испарения от размера и формы сосуда.

Наблюдения показали, что для создания эффективных резервуаров для хранения криопродуктов в жидком состоянии необходимо исполь-зовать теплоизоляцию, расположенную между теплыми и холодными поверхностями ёмкости. Одним из эффективных методов использова-ния полости между внутренней и внешней ёмкостями резервуара, явля-ется заполнение жидким азотом или легким порошком, таким как пер-лит, аэрогель двуокиси кремния, или кизельгур. Слой такого порошка толщиной в несколько сантиметров эффективно снижает тепловое из-лучение.

В ходе анализа характеристик баллонов выявлена зависимость ско-рости испарения от размера и формы сосуда. Баллоны могут изготов-ляться цилиндрической, сферической и других форм. В небольших ём-костях внутренний сосуд крепят к горловине, служащей одновременно подвеской и трубой, позволяющей выполнять все технологические опе-рации при эксплуатации сосуда. Сосуды этой простой конструкции на-зываются сосудами Дьюара.

Ёмкости обычно имеют цилиндрическую форму, причем в стацио-нарных ёмкостях (до 60 м3) ось цилиндра располагают вертикально для уменьшения занимаемой площади, а в транспортных – горизонтально (для увеличения устойчивости и уменьшения высоты). Днища выпол-няют эллиптическими, полусферическими или коробовыми.


33

На основе проведённого анализа современного модельного ряда баллонов, используемых в различных областях жизнедеятельности че-ловека, были составлены обобщённые диаграммы и таблицы. На рис. представлена диаграмма сравнения скоростей испарения резервуаров с различными массогабаритными характеристиками.

Рис. Диаграмма сравнения скоростей испарения резервуаров с различными массогабаритными характеристиками:

A – представляет баллоны фиксированного диаметра и различных длин; B – баллоны с высокой вакуумной изоляцией, имеющие постоянную толщину

теплоизоляции и аналогичные габариты, как в случае А; C – баллоны с порошковой изоляцией и габаритные характеристики, как в случае А

Анализ представленных на рисунке зависимостей позволяет ска-зать, что скорость испарения жидкости для баллонов с тремя различ-ными типами теплоизоляции зависит от их объёма. Эффективность работы ёмкости для хранения сжиженных криопродуктов характери-зуется процентом массы жидкости, испаряющейся в течение суток, от общей массы хранимого вещества. Анализ этих зависимостей позволя-ет сказать, что наиболее эффективно на практике использовать балло-ны с порошковой изоляцией, так как они имеют наименьшую скорость испарения.

Объём ёмкости, м3

Тем

п ис

паре

ния,

%


34

УДК 620.9 Заика С.В.


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИХРЕВОГО ЭЖЕКТОРНОГО НАСАДКА-УСКОРИТЕЛЯ

В СОСТАВЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

На сегодняшний день эксплуатация поршневых авиационных дви-гателей встречает на своем пути ряд проблем, решение каждой из кото-рых позволит значительно повлиять на совершенствование летательных аппаратов малой авиации, которая играет важную роль в аграрном, промышленном, спортивном, образовательном направлении. Необхо-димы такие изменения, которые позволят увеличить авиационную мощ-ность двигателя, снизить расход топлива и выброс в атмосферу вредных веществ продуктов сгорания.

Существует возможность решения данных проблем за счёт использо-вания вихревого эжекторного насадка-ускорителя потока выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания (ВЭН). Данная система может быть ис-пользована в составе выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, благодаря чему возможно повышение экономичности и мощности двигате-ля внутреннего сгорания, а также снижение токсичности выхлопных газов.

В основу работ положены ранее проведенные исследования в Самар-ском государственном аэрокосмическом университете по вихревому эф-фекту и по его использованию в устройствах по повышению энергетиче-ской и экологической эффективности. Ускоритель потока выхлопных га-зов двигателей внутреннего сгорания с эжектором содержит раструб, ко-нус с расположенными на нём проточными и вторичными каналами, эжектор, камеру смещения потоков выхлопных газов и эжектируемого воздуха и сопло Лаваля на выходе ускорителя. В камере смещения созда-ётся область пониженного давления за счёт обтекания газами конуса, вершина которого ориентирована навстречу выхлопным газам. Повы-шенное давление способствует ускорению потока выхлопных газов, что приводит к повышению экономичности и мощности двигателя.

В результате проведённых предварительных исследований было установлено, что её использование позволит: увеличить эффективную мощность двигателя на 10-12 %; снизить часовой расход топлива на 10-15 %; снизить процентное содержание СО на 10-15 % и СН до 10 %; снизить шумовое загрязнение окружающей среды.


35

УДК 621.5-1/-9 Иванова Е.А.

Научный руководитель: Белозерцев В.Н., к.т.н., доцент

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОСЪЁМА С КОМПРЕССОРНОЙ ПОЛОСТИ

НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Газовые холодильные машины (ГХМ) широко используются в раз-личных областях науки и техники. Они отличаются высокой термоди-намической эффективностью, малыми габаритами, сравнительной про-стотой и надежностью в работе.

Нормальное функционирование ГХМ на данном температурном уровне возможно при обеспечении заданного теплосъёма с компрессор-ной полости. Теплообменник компрессорной полости чаще всего вы-полняется цилиндрической формы. Для более эффективного отвода те-пла от боковых и тыльных частей цилиндра и уменьшения неравномер-ности нагрева стенок применяют оребрение поверхностей. Положи-тельный эффект достигается вследствие

– отклонения потока воздуха от прямолинейного пути и направ-ления его по траектории, соответствующей конфигурации оребренной поверхности цилиндра и его головки, и устранения зоны мало-подвижного нагретого воздуха в тыльной части цилиндра;

– увеличения скорости воздушного потока относительно охла-ждающих ребер;

– обеспечения равномерного обдува; – увеличения поверхности теплообмена, приводящего к уменьше-

нию удельного расхода теплоносителей. По заданным условиям: холодопроизводительность ГХМ Q2 = 10 Вт,

количество отводимой теплоты с компрессорной полости Q1 = 20 Вт, температура внутреннего теплоносителя – гелия Т г = 300 К, температу-ра внешнего теплоносителя – воздуха Тх = 263 К, среднее давление ге-лия P = 231 кПа. Теплосъём с компрессорной полости зависит от коэф-фициента теплопередачи и разности температур согласно формуле:

Q = K (T г – Tх), где К – коэффициент теплопередачи.

Проведён расчёт теплообменника компрессорной полости трёх видов: без оребрения, с продольным оребрением, с поперечным оребрением.


36

В основе расчёта также использованы: – уравнения энергетического баланса

Qв = Qг или

МвСрв (tв" – tв') = МгСрг (tг' – tг"), где Мв , Срв – расход и теплоемкость внешнего теплоносителя, Мг , Срг

– расход и теплоемкость внутреннего теплоносителя, tв' , tг' – температуры воздуха и гелия на входе в теплообменник, tв", tг" – температуры воздуха и гелия на выходе из теплообменника;

– уравнение неразрывности: G

WFρ

=⋅

,

где G – расход теплоносителя, ρ – плотность теплоносителя, F – площадь поперечного сечения потока теплоносителя;

– критериальные уравнения для расчёта теплоотдачи гелия, как те-плоносителя внутри ГХМ, и воздуха, как внешнего теплоносителя:

Nu = 0,023 ⋅ Re0,8 ⋅ Pr0,43 ⋅ ψ, где Re – число Рейнольдса, Pr – число Прандтля, ψ – коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для нагреваемого воздуха.

Расчёты показали: 1. При отсутствии оребрения обеспечивается требуемый теплосъём,

но размеры теплообменника превышают 300 мм, что неприемлемо с точки зрения массо-габаритных характеристик самой рабочей полости.

2. У теплообменников с продольным и поперечным оребрением требуемый теплосъём достигается при двустороннем оребрении для обоих случаев. В результате наиболее выгодным с точки зрения габа-ритных размеров является теплообменник с двусторонним поперечным оребрением.

Согласно полученным значениям, для требуемого теплосъема дос-таточно 3 ребра с заданной высотой h = 0,03 м.


37

УДК 621.5-1/-9 Ильмурзина Е.Ф.

Научный руководитель: Белозерцев, В.Н., к.т.н., доцент

ВЛИЯНИЕ МЕРТВОГО ОБЪЁМА ГАЗА НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

К аппаратам внешнего теплообмена газовых холодильных машин относятся холодильники, теплообменники нагрузки и нагреватели, т. е. аппараты, обеспечивающие связь машины с внешними тепловыми ис-точниками. В холодильниках теплота отводится от циркулирующего в машине рабочего газа в окружающую среду. В рассмотренном случае внешним теплоносителем является воздух.

Внутренний объём аппарата внешнего теплообмена – это составная часть рабочего объёма газовой холодильной машины. При выборе внут-ренней теплообменной поверхности приходится искать компромиссное решение, позволяющее обеспечить приемлемую эффективность аппара-та при допустимых значениях его «мертвого» объёма и гидравлического сопротивления.

С увеличением мёртвого объёма увеличивается количество рабоче-го тела, не участвующего в создании холодопроизводительности. Для холодильной машины был проведен анализ зависимости энергетических характеристик от величины «мёртвого» объёма.

При увеличении мёртвого объёма от 0,2 до 2, величина среднего давления уменьшается в 2,4 раза. Величина располагаемой холодопро-изводительности остаётся неизменной, так как остаётся постоянным уровень температур Тх для идеальной холодильной машины. А величи-на действительной холодопроизводительности уменьшается в 2 раза.

Величина «мёртвого» объёма газа оказывает влияние и на основные потери в регенераторе и теплообменниках подвода и отвода теплоты. При увеличении Х от 0,2 до 2 потери в регенераторе на недорекупера-цию уменьшаются в 1,9 раза. Потери на гидравлические сопротивления претерпевают существенные изменения. Потери на теплопритоки по на-садке и корпусу и величина холодильного коэффициента остаются по-стоянными.


38

УДК 532 Л 729 Киселев И.А.

Научный руководитель: Шаблий Л.С., к.т.н., ассистент

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОТОКА СЖИМАЕМОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА

В ТРУБКЕ ВЕНТУРИ

Трубка Вентури – устройство для измерения расхода или скорости потока газов и жидкостей, представляющее собой трубу с горловиной, включаемую в разрыв трубопровода. В трубке Вентури статические па-раметры газа претерпевают значительные изменения.

Поэтому была поставлена цель: исследовать поток в трубке Венту-ри. Для исследования потока в трубке Вентури была поставлена задача расчетным путем получить зависимости значений этих параметров по её длине.

При решении поставленной задачи в препроцессоре ANSYS Workbench Geometry была построена симметричная модель исследуе-мой трубки с использованием функции Symmetry. Сетка была создана в препроцессоре Mesh. Расчёт проводился в программном комплексе ANSYS Fluent с использованием модели идеального газа – воздуха. Па-раметры потока, необходимые для расчёта характеристики, осреднялись по входным и выходным сечениям в трубке Вентури (рис. 1), а в качест-ве модели турбулентности была использована модель k-ε standart. Было произведено 250 итераций, благодаря чему, уровень невязок достиг ве-личины 10-3.

Рис. 1. Модель трубки Вентури:

1 – главное сечение на входе; 2 – входное сечение измерительной трубки; 3 – выходное сечение; 4 – плоскость симметрии


39

Графики давления и скорости строились по длине трубки. Полу-ченные зависимости представлены на рис. 2. Качественно характер из-менения скорости и давления совпадает с представлениями МЖГ о про-цессах происходящих в сужающемся-расширяющемся канале трубо-провода. При уменьшении площади сечения в трубке Вентури статиче-ское давление падает, а скорость растёт. Это происходит благодаря то-му, что потенциальная энергия давления переходит в кинетическую энергию потока. После прохождения горла канала площадь поперечного сечения начинает возрастать, давление начинает увеличиваться, а ско-рость падать, что свидетельствует об обратном переходе кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления.

– P = f(z) – P* = f(z) – c = f(z)

Рис. 2. График зависимостей

Благодаря тому, что в горле канала присутствует давление ниже, чем на выходе, возможен вход потока через дополнительный измери-тельный канал. При расчётных параметрах расход через дополнитель-ный канал составил 3,8 % от расхода через основное выходное сечение.


40

УДК 658.5.012.1 Кокарева В.В., Малыхина О.Н.

Научный руководитель: Смелов В.Г., к.т.н., доцент

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ЗА СЧЁТ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Предлагается решение проблемы повышения эффективности много-номенклатурного уникального и мелкосерийного производства за счёт организации технологического комплекса с современными методами ор-ганизации и управления в совокупности с соответствующим оборудова-нием, которое сможет обеспечить полную обработку требуемых изделий при повышенной производительности труда и автоматизации технологий. В данном случае речь идет об организации таких производственных ком-плексов, которые обладают высокотехнологичными средствами компью-терного моделирования, быстрого прототипирования и технологий пря-мого производства изделий наукоёмкого машиностроения. Инновацион-ная организация такого рода комплекса предполагает проведение ком-плекса мероприятий по проведению цикла «научные исследования – тех-нологические разработки – создание экспериментальных образцов – мас-совое производство – поставка продукции на рынок».

Интегрированные технологии базируются на органическом сочета-нии последних достижений в различных областях науки, техники, техно-логий, информатики, материаловедения и др. Текущие и перспективные результаты от использования интегрированных инженерных технологий позволят повысить качество и конкурентоспособность изделий благодаря

– возможности производства функциональных прототипов на са-мых ранних стадиях разработки, анализа изделия с точки зрения потре-бителя, функциональности, ремонтопригодности и т. п.;

– сокращению длительности цикла разработки и производства из-делий благодаря применению инновационных технологий в подготовке производства (безинструментальное изготовление (выращивание) осна-стки, внедрение новых литейных технологий на основе систем быстрого прототипирования);

– осуществлению технического совершенствования производимой продукции благодаря уменьшению или полному исключению техноло-гических ограничений на сложность, точность и качество производимых изделий или его компонентов.


41

В рамках представленной концепции создания высокотехнологич-ного комплекса интегрированных технологий литейно-механического производства планируется решать следующие задачи.

• Внедрение современных инновационных технических решений и эффективных технологий в отечественном производстве;

• Реализация и продвижение идей и разработок российских ученых, конструкторов, технологов;

• Отработка и испытания нового отечественного оборудования, технологий, материалов;

• Формирование сервисной службы для ремонта, обслуживания и модернизации оборудования;

• Проведение испытаний и сертификации; • Подготовка и переподготовка кадров литейно-механического

профиля. Используя модель современного технологического литейного ком-

плекса (см. рис.), в лаборатории аддитивных технологий СГАУ органи-зован целый комплекс мероприятий по реализации принципов интегри-рованного производства. Разработана методика проектирования ТП из-готовления силиконовых форм с использованием различных методов формирования поверхностей разъема; выполняется вакуумное литье в эластичные формы, получены опытные образцы и партии деталей из пластмасс, выплавляемые восковые модели без применения традицион-ной технологической оснастки; проводится расплавка и заливка металла в индукционной печи в вакууме; методом быстрого прототипирования получены опытные детали камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Рис. Модель интегрированного производства (процесса)


42

УДК 658.5.012.1 Кокарева В.В., Вдовин Р.А.

Научный руководитель: Смелов В.Г., к.т.н., доцент

ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЭНДОПРОТЕЗОВ

С ПОМОЩЬЮ ТЕХНОЛОГИЙ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

Быстрое прототипирование уже повсеместно используется, если необходимо сконструировать единичные детали сложной формы. Но совсем недавно аддитивные технологии нашли своё применение и в ме-дицине, в частности при производстве эндопротезов тазобедренных сус-тавов.

Переломы проксимального отдела бедренной кости у лиц пожилого и старческого возраста составляют от 15 до 25 % от всех переломов ОДС. Эти повреждения приводят к обездвиживанию пострадавших, что ведёт к осложнениям и в ряде случаев заканчивается летальным исхо-дом. Лечение этой категории больных является одной из важнейших медицинских и социально-экономических проблем современности, по-этому раннее оперативное вмешательство и использование современ-ных имплантатов позволяют восстановить анатомию поврежденной об-ласти, стабилизировать перелом. Кроме этого в эндопротезировании нуждаются и пациенты с онкологическими заболеваниями костей, когда не может быть проведена проксимальная или дистальная реплантация бедра по причине обширной потери бедренной кости.

Методы быстрого прототипирования (Rapid Prototyping) применя-ют технологию послойного формирования объекта на основе его трех-мерной математической CAD модели с использованием разнообразных физико-химических процессов. Основное преимущество этой техноло-гии заключается в возможности быстрого (от нескольких минут до не-скольких часов) изготовления требуемого прототипа с использованием широкой гаммы материалов (полимеры, металлы, керамика) без допол-нительного оборудования и финишной обработки, практически незави-симо от сложности геометрии объекта.

Развитие современных технологий формообразования деталей без снятия стружки позволяет изготавливать имплантаты литьем, а именно, с помощью технологий быстрого прототипирования (см. рис.). Цель ра-боты заключается в разработке методики производства эндопротезов с помощью технологий быстрого прототипирования и оборудования ла-


43

боратории аддитивных технологий, позволяющей учитывать индивиду-альные анатомические особенности пациента. Компьютерное модели-рование с применением CAD/CAM/САЕ-технологий даёт возможность создать 3D-модель эндопротеза с учётом геометрии и биомеханики сус-тавов конкретного человека, оптимизировать его конструкционные па-раметры и разработать технологию изготовления.

Рис. Методика производства индивидуальных эндопротезов

с помощью технологий быстрого прототипирования

Метод производства эндопротезов с помощью аддитивных техно-логий позволит исключить изготовление оснастки, на которую прихо-дится основная часть технологической себестоимости изделия. «Напе-чатанные» готовые модели собираются в модельный блок вместе с ре-зиновой моделью литниковой чаши и питателями. Оптимальное коли-чество моделей в блоках будет определяться на основании расчётов за-ливки в программной среде ProCast. Плавка металла и заливка форм бу-дет осуществляться на установке вакуумного литья ProfiCast SGA3500.


44

УДК 620.1 Комаров О.А.

Научный руководитель: Комаров В.А., д.т.н., профессор

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изучение композиционных материалов является перспективным направлением в современном материаловедении. Одной из причин, препятствующих повсеместному внедрению данных материалов, является специфичный вид разрушения – расслоение (раскрытие, а также сдвиг поперек и вдоль трещины). Поэтому для более широкого распространения данных материалов следует разработать простой и универсальный способ исследования этого процесса.

На основе разнообразных источников, таких как ГОСТы и иностранные технические стандарты, создана программа испытаний, позволяющая определить некоторые параметры, сопутствующие разру-шению, на основе которых возможно создать математическую модель материала. В качестве определяемых параметров композита выступали модуль упругости и удельная энергия освобождения упругих деформа-ций (данный термин используется в дисциплине «Теория механики разрушения»). Для определения модуля упругости были использованы образцы американского стандарта ASTM 3039, а для определения удельной энергии освобождения упругих деформаций материала ис-пользовались образцы, конструкция и размеры которых взяты из амери-канского стандарта ASTM 5528-01. Образцы материалов были изготов-лены с помощью метода закрытого формования – вакуумной инфузии.

Рис. Образцы для определения модуля упругости

и удельной энергии освобождения упругих деформаций


45

Данные, полученные из испытаний образцов, были обработаны в программе математического моделирования MatLab. Были получены значения модуля упругости и удельной энергии освобождения упругих деформаций материала, после чего стало возможным наполнение мате-матической модели образца необходимыми данными.

На основе полученных данных в модуле PrepPost программного комплекса ANSYS был проведен цифровой эксперимент. Результаты реальных испытаний и цифрового эксперимента подверглись сравне-нию. После сравнения результатов было замечено различие между характеристиками КЭМ-модели и характеристиками реального материа-ла. Было определено, что данные различия в моделях возникают из-за наличия такого явления, как Fiberbridging, влияние которого в КЭМ-модели не было учтено.

Результатами исследования стало более глубокое понимание про-цесса разрушения композитов и их расслоения. В частности после срав-нения испытаний реальных образцов с результатами числового экспери-мента обнаружено существенное влияние явления Fiberbridging. На основе этого вывода сделано заключение о важности моделирования данного процесса при создании математических и иных моделей ком-позитных материалов.


46

УДК 658.5 Коротенкова Т.Н.

Научный руководитель: Абрамова И.Г., к.т.н., доцент

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И УПРАВЛЕНИЕ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ЗАКАЗАМИ В УСЛОВИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПО TECNOMATIX

Tecnomatix – полнофункциональный пакет решений для автомати-зированной подготовки производства, объединяющий все технологиче-ские аспекты с разработкой изделия.

Целью данной работы является исследование влияния параметров моделей непоточного производственного процесса на выходные пара-метры цикла. Для исследования влияния параметров на выходные ха-рактеристики, в том числе пропускную способность, были построены три модели непоточных линий с различными составными элементами и связями. Таким образом, поставлено соответственно две задачи.

1. Построение различных моделей производственного процесса с одинаковыми параметрами, исследование пропускной способности, вы-явление узких мест и пути их устранения.

2. Исследование пропускной способности моделей при изменении параметров объектов моделей, визуализация потоков и отображение моделей в трёхмерном изображении.

В первой части работы были построены две модели с различными связями между объектами, сымитирован производственный процесс с датой начала обработки деталей 12.10.2012 00:00:00 и временем конца обработки 1 сутки, т. е. 1:00:00:00. Проанализированы выходные пара-метры (пропускная способность), выявлены узкие места и построена третья модель с учётом принятых решений по их устранению.

Во второй части работы изменялись параметры во всех моделях и просматривались выходные характеристики при данном сочетании па-раметров. Особое внимание уделялось третьей модели, так как она яв-ляется консенсусом между первой и второй моделью, учитывая узкие места. Был проведен эксперимент (визуализация потока, наполнения буферов) и отображена модель в трёхмерном изображении.


47

УДК 621.7 Коротенкова Т.Н.

Научный руководитель: Проничев Н.Д., к.т.н., профессор

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ КОЛЬЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Тенденции повышения требований к качеству продукции машино-строения при одновременном снижении её металлоёмкости влекут всё большее использование деталей малой жёсткости.

При существующих технологических процессах изготовления дета-лей встречаются серьезные затруднения, связанные с возникновением ко-робления деталей, а также с потерей точности изготовления вследствие действия технологических факторов в сочетании со схемами обработки.

Целью настоящей работы является выявление, анализ и пути уст-ранения технологических проблем, возникающих при изготовлении от-ветственных маложестких кольцевых деталей ГТД.

Для анализа была выбрана деталь «кольцо наружное» (направляю-щий аппарат 5-й ступени компрессора двигателя НК-12МПТ).

В первой части работы проведён обзор существующих методов из-готовления МЖД и методов снижения уровня остаточных напряжений. Выявлены недостатки существующих методов обработки и намечены пути повышения качества обработки и сохранения точности, достигну-той при обработке резанием.

Во второй главе проведено математическое описание процесса ре-лаксации остаточных напряжений, выведена формула, определяющая зависимость величины коробления деталей от уровня и неравномерно-сти остаточных напряжений.

По проделанной работе можно сделать следующие выводы. • Установленный механизм формирования отклонений формы при

одновременном действии вносимых обработкой наследственных техно-логических напряжений и сил позволяет установить причины отклоне-ний формы.

• Полученные результаты могут быть использованы в качестве ба-зовых данных при разработке новых технологических процессов для традиционного и инновационного технологического оборудования и средств автоматизированного управления процессами и оборудованием; при проектировании технологической оснастки и технологических про-цессов.


48

УДК 621.5 Костенко М.В., Берникова И.А.


ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ В КОМПЛЕКСЕ СПГ

ЗА СЧЁТ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

В настоящее время природный газ в качестве топлива на транспор-те и в энергетике используется в сжатом (компримированном) состоя-нии (КПГ) и сжиженном состоянии (СПГ). Однако при этом не учиты-вается тот факт, что для ожижения СПГ ранее была затрачена энергия, которая затем в видоизмененном состоянии сбрасывается в окружаю-щую среду.

В данной работе рассматривается решение, которое позволит ис-пользовать низкотемпературный потенциал СПГ для получения энер-гии. Для реализации теплоотрицательного потенциала сжиженного при-родного газа предлагается использовать в составе комплекса СПГ дви-гатель Стирлинга.

Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффек-тивности тепловых машин. Учитывая, что теоретический КПД двигате-ля Стирлинга равен КПД двигателя, работающего по циклу Карно, то при расходе СПГ G = 1000 кг/ч расчёт даёт значение мощности работы такой тепловой машины около 90 кВт. Мощность насоса, который не-обходим для компенсации потерь давления при проходе СПГ по гид-равлическому тракту комплекса, составит величину около 500 Вт.

Рис. Комплекс СПГ с двигателем Стирлинга


49

УДК 621.577 Крюкова Д.Е.


ОЦЕНКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В СОСТАВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА БЮДЖЕТНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ

В связи с ростом цен на энергоносители, в последнее время стано-вится актуальным внедрение энергосберегающих мероприятий. Совре-менные тенденции развития энергетики и использования природных ре-сурсов вынуждают отказываться от классических путей прогресса и ис-кать новые, порой совершенно нестандартные.

Использование автономных источников позволяет максимально приблизить вырабатываемое тепло к потребителю и самостоятельно регулировать расходы. Таким образом, существенно снижаются поте-ри, вызванные изношенностью коммуникаций и множеством других факторов.

Тепловые насосы представляют собой экономически выгодную, безопасную, экологически чистую и автономную систему отопления и подогрева воды, основанную на использовании вторичных источников энергии, таких как сточные воды, воздух или земля (грунт).

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от ис-точника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Основное отличие от всех остальных источников тепла заключается в исключи-тельной возможности использовать возобновляемую низкотемператур-ную энергию окружающей среды на нужды отопления и нагрева воды.

Теплоноситель, в роли которого выступает вода, подогревается низкопотенциальным источником энергии, а затем проходит через теп-лообменник теплового насоса, называемый теплообменником-испарителем. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладаген-том, который, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Из ис-парителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжима-ется до высокого давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник – конденсатор, где происходит теп-лообмен между горячим газом и теплоносителем (водой) из обратного трубопровода системы отопления. Хладагент отдаёт своё тепло в систе-


50

му отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а на-гретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

В ходе эксплуатации бассейна спортивного комплекса СГАУ в сис-тему канализации ежедневно сливается большое количество теплой во-ды (35 м3/сут.), которое нигде не используется в дальнейшем.

Предлагается установить ТН для обеспечения горячей водой спор-тивного комплекса.

В качестве низкопотенциального источника тепла использовать во-ду температурой t = 25 °С, сливаемую из бассейна. При непрерывной работе бассейна в течение 15 часов в сутки и равномерном сливе воды в этот период её секундный расход составит 0,65 л/сек. Температура воды после утилизации 10 °С, охлаждение составит 15 °С, при этом мощность теплового потока вторичных энергоресурсов (ВЭР) составит величину Q = 410 кВт.

Расчёт показывает, что тепловая мощность теплонасосной системы при коэффициенте преобразования 4 составит 55 кВт, в том числе ути-лизированная тепловая мощность – 41 кВт.

Использование теплового насоса характеризуются экономично-стью: при подводе к тепловому насосу 1 кВт электроэнергии в зависи-мости от режима работы и условий эксплуатации он даёт до 3-5 кВт те-пловой энергии.

При годовом фонде времени работы бассейна 5250 часов (300 дней по 15 часов) за счёт утилизации тепла ВЭР экономится 215250 кВт∙ч те-пловой энергии или свыше 185 Гкал в год.

При стоимости тепловой энергии 1400 р./Гкал годовая экономия финансовых ресурсов составит 259000 рублей. Срок окупаемости затрат составит около 5,8 лет.


51

УДК 621.454.2 Кудинов И.В.

Научный руководитель: Шаблий Л.С., к.т.н., ассистент

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА В КАМЕРЕ РД С ПОМОЩЬЮ ANSYS FLUENT

Ракетные двигатели – технически сложные объекты, а потому для их создания и модернизации необходимо уметь моделировать рабочие процессы в них, что позволяет обходиться без дорогостоящих экспери-ментов.

В данной работе пошагово представлен процесс моделирования ра-бочего процесса камеры РД. Моделирование проводилось в таком по-рядке: 1) создание геометрической модели камеры РД в программе Design Modeller; 2) наложение сетки конечных элементов на построен-ную геометрическую модель в программе Meshing; 3) задание парамет-ров, необходимых для расчёта рабочего процесса (давление, температу-ра, свойства рабочего тела) в программе Fluent; 4) выполнение расчётов на ПК в программе Fluent; 5) вывод результатов расчётов с помощью программы Results.

Для ускорения процесса решения на ПК, создаётся упрощённая мо-дель. Она представляет собой ½ проточной части сопла Лаваля.

Исходные данные для проведения моделирования эксперимента: – геометрия камеры РД, – давление на входе в камеру, – давление на выходе из камеры, – температура газового потока. При моделировании работы данной камеры целесообразно задать не-

сколько сотен тысяч конечных элементов. Такое количество элементов позволит получить достаточно точные результаты для учебной задачи, в то же время на расчёт будет затрачено немного времени.

Полученные в данной работе результаты могут иметь несколько иной характер в реальности, поскольку был принят ряд допущений, уп-рощающих моделирование.

Тем не менее, результаты данной работы могут дать наглядное представление о смоделированных процессах.

В дальнейшем планируется производить процесс моделирования с большей точностью посредством исключения некоторых допущений.


52

УДК 621.4.323 Литвиненко Д.И.

Научный руководитель: Диденко А.А., к.т.н., доцент

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ОБРАЗОВАНИЯ ОКИСЛОВ АЗОТА, ОКИСИ УГЛЕРОДА

И НЕСГОРЕВШИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КАМЕРАМ СГОРАНИЯ ГТД

Камера сгорания ГТД должна отвечать многим конструктивным, эксплуатационным требованиям её работоспособности, характеристик, долговечности и стоимости, важнейшим из которых является низкий уро-вень эмиссии вредных веществ, при высокой полноте сгорания топлива.

На основе анализа материалов, имеющихся в наиболее известных литературных источниках (Н.А. Чигир, А. Лефевр), выполнена система-тизация сведений о физико-химических механизмах окисления углеводо-родного топлива и образования основных химических компонентов вред-ных веществ применительно к задачам проектирования и доводки камер сгорания ГТД. Составлен перечень конструктивных, термогазодинамиче-ских и режимных параметров, рассматриваемых при изучении окисления горючего и образования окиси углерода, окислов азота и частиц сажи.

При изучении физико-химических механизмов в качестве матема-тической модели начального ознакомительного уровня принята модель расчёта равновесного состава и равновесной адиабатической темпера-туры продуктов сгорания. В порядке освоения данной модели с исполь-зованием уже имеющихся исследований в данной области изучен алго-ритм, разработана программа в среде MathCAD и выполнены ручные и компьютерные тренировочные расчёты по определению равновесного состава и температуры продуктов сгорания для случая окисления авиа-ционного керосина в атмосферном воздухе при заданных параметрах камеры сгорания ГТД.

Математическая модель и алгоритм расчёта построены на решении системы нелинейных алгебраических уравнений с неравенствами:

– уравнения материального баланса (основано на законе сохране-ния массы и вещества) – 3 уравнения;

– уравнение закона Дальтона (давление смеси газов равно сумме их парциальных давлений) – 1 уравнение;

– уравнение химического равновесия (в условиях химического рав-новесия скорости прямых и обратных реакций становятся равными;


53

концентрации (парциальные давления газов) исходных веществ и про-дуктов реакции не изменяются со временем и называются равновесны-ми концентрациями) – 6 уравнений;

– уравнение сохранения энергии – равенства полной энтальпии го-рючей смеси и полной энтальпии продуктов сгорания (полная энтальпия включает химическую и термодинамическую части) – 1 уравнение.

Кратко алгоритм ручного расчёта для данного вида топлива и окис-лителя, при заданном давлении и коэффициенте избытка воздуха пред-ставлен в следующем виде.

1. Определяется весовой состав горючего и окислителя. 2. С учётом соотношения компонентов в камере (стехиометриче-

ское, богатое, бедное) рассчитывается энтальпия 1 кг топлива (окисли-теля и горючего).

3. Определяется состав и температура газов в камере сгорания: – назначается ориентировочная величина температуры в камере

сгорания, близкая к предполагаемой; – определяются константы равновесия для данной температуры; – решается система уравнений методом последовательных прибли-

жений (часть парциальных давлений газов принимаются равными нулю и находятся значения парциальных давлений оставшихся газов);

– проводится проверка полученных значений, принимается новое значение температуры в камере сгорания и п. 3 повторяется с новыми данными, пока не будет получено значение, удовлетворяющее заданной погрешности.

С помощью элементов программирования в среде MathCAD при использовании встроенного в программу готового решателя Given-Find с помощью конкретного математического метода осуществляется реше-ние данной задачи. Результаты ручного расчёта и расчёта с использова-нием MathCAD совпадают достаточно хорошо.

Основными сложностями расчёта является использование справоч-ных таблиц теплофизических свойств индивидуальных веществ и необ-ходимость их предварительной аппроксимации, а также грамотное за-дание начальных условий для расчёта.


54

УДК 621.6.053 Лукашева М.В.


ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

В СИСТЕМАХ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА ЗА СЧЁТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ТУРБОДЕТАНДЕРНЫХ УСТАНОВОК

В настоящее время природный газ в качестве топлива на транспор-те и в энергетике используется в сжатом (компримированном) состоя-нии (КПГ) и сжиженном состоянии (СПГ).

Причем развитию использования СПГ в последние годы придаётся всё большее значение благодаря преимуществам, которыми он обладает как энергоресурс. К ним относятся эффективность и удобство хранения и транспортировки, достигаемые за счёт высокой плотности СПГ, не-токсичность, а также возможность газификации объектов, удаленных от магистральных трубопроводов на значительные расстояния.

В работе были поставлены следующие задачи: рассмотрение суще-ствующих систем, работающих на сжиженном природном газе, анализ их эффективности и перспектив развития, а также расчёт возможности получения дополнительной энергии в системах СПГ.

При производстве сжиженного природного газа затрачивается большое количество энергии: для получения 1 тонны СПГ необходимо затратить около 1000 кВт∙ч электроэнергии. Однако при последующем применении СПГ всегда осуществляется процесс регазификации в ис-парителе (ИП) обычно атмосферного типа, происходящий за счёт под-вода теплоты окружающей среды. При этом считается, что использова-ние тепла окружающей среды является энергосберегающим процессом, однако не учитывается факт, что для сжижения СПГ ранее затрачивает-ся энергия, сбрасываемая затем в видоизмененном состоянии в окру-жающую среду. В данной работе предлагалось разработать решение, которое позволит использовать низкотемпературный потенциал СПГ для получения энергии.

Для решения поставленной задачи в комплекс СПГ предполагает-ся установить турбодетандер за испарителем, с помощью которого можно будет получить работу и затем преобразовать её в электриче-скую энергию.


55

Рис. Комплекс СПГс поршневым турбодетандером

При расходе СПГ G = 1000 кг/ч возможно получить мощность рабо-ты расширения около 10 кВт. При этом здесь реализуется разомкнутый цикл Ренкина, где криогенный насос небольшой мощности (около 500 Вт) выполняет свою обычную функцию, обеспечивая давление цикла.

В ходе работы был проведён анализ современных установок, рабо-тающих на сжиженном природном газе, определены их основные пара-метры и характеристики, рассмотрены термодинамические аспекты возможности использования теплоотрицательной энергии в составе комплексов СПГ, был произведен расчёт установки на основе СПГ с турбодетандером и рассмотрены перспективы дальнейшего развития и совершенствования систем, основанных на СПГ.

Проведенные расчёты показывают перспективность исследования в данной области развития энергетических установок, а также позволяют реализовать потенциал энергосбережения при использовании сжижен-ного природного газа и других криогенных жидкостей.


56

УДК 621.9.044 Малыхина О.Н.

Научный руководитель: Балякин А.В., ассистент, инженер

АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ

ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рост научно-технического прогресса неразрывно связан с развити-ем ведущих отраслей машиностроения – авиационной, ракетной, косми-ческой, электронной и атомной техники, где предполагается примене-ние новых материалов, обладающих высокой удельной прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и другими специальными свойствами. Видное место среди таких материалов принадлежит спла-вам на основе титана, сочетающим в себе все необходимые физико-механические и химические свойства. Титановые сплавы (ТС), по срав-нению с конструкционными сталями на основе железа и алюминия, способствуют снижению веса изделия до 2 раз без потери прочности, что особо актуально в ракето-, авиа- и машиностроении, где общий вес изделия сказывается на экономичности машины.

Однако, несмотря на уникальность свойств ТС, их применение об-ладает рядом проблем:

• малая производительность из-за низких скоростей резания; • высокие температуры резания (800-1000 °С и выше), вызывающие

высокую химическую активность титана (при температурах выше 500 °С); • использование большого количества смазочно-охлаждающих тех-

нологических средств (СОТС); • образование сливной стружки.

Исследования привели к тому, что во избежание вы-шеперечисленных проблем следует использовать высоко-скоростную обработку ТС. Её теоретическим обоснованием являются так называемые кри-вые Соломона (см. рис.), ко-торые показывают снижение сил резания в некотором диа-пазоне скоростей. Для обра-Рис. Кривые Соломона


57

ботки плоских поверхностей деталей корпусного типа установлено, что высокоскоростная обработка способна повысить производительность процесса, стойкость режущего инструмента и качество обработанной поверхности.

Условием успеха в высокоскоростной обработке может стать пра-вильный выбор всех составляющих факторов, участвующих в этом про-цессе: станок, система ЧПУ, режущий инструмент, вспомогательный инструмент с системой закрепления инструмента, система программи-рования, квалификация технолога, программиста и оператора станка с ЧПУ. Пренебрежение хотя бы одним из этих факторов способно свести на нет все предыдущие усилия. В связи с этим, для оптимального выбо-ра вышеперечисленных факторов необходимо провести немало опытов и экспериментов, затратить значительное количество времени и матери-альных средств.

С целью оптимизации всего процесса следует использовать моде-лирование с применением CALS- и GIS-технологий. Оно позволяет:

– подобрать оптимальные режимы резания для изготовления дета-лей любых типов и любого размера из любых материалов;

– сократить сроки подготовки производства; – сократить материальные затраты; – рассчитать норму времени обработки; – осуществлять синтез управляющих программ для технологиче-

ского оборудования с ЧПУ; – снизить себестоимость изделия. Однако следует отметить, что само по себе компьютерное модели-

рование не заменит натуральный эксперимент, оценивающий влияние эксплуатационных и иных условий, т. к. поведение реальных деформи-руемых сред обладает более богатым содержанием, чем предписывае-мое общей теорией определяющих соотношений механики сплошных сред.


58

УДК 621.5-1/-9 Малюнкина Е.А.

Научный руководитель: Белозерцев В.Н., к.т.н., доцент

ВЛИЯНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ

Оценена возможность создания холодильной машины, работающей по циклу Стирлинга. Показано, что с уменьшением температуры детан-дерной полости располагаемая холодопроизводительность уменьшает-ся, работа за цикл увеличивается. Суммарный объём машины составля-ет 25 см³ при давлении заправки 2 атмосферы. Термодинамическое со-вершенство холодильной машины может быть обеспечено совершенст-вом тепловой изоляции (самым лучшим является экранно-вакуумные изоляции) детандерной полости. Представленная холодильная машина на уровне 150 К имеет холодопроизводительность 20 Вт. Величина по-лезной холодопроизводительности 1 Вт. Одним из способов увеличения холодопроизводительности при фиксированной температуре детандер-ной полости является увеличение давления заправки и частоты враще-ния привода. Существуют рабочие характеристики, между ними опре-деляется эффективный уровень работы. Существует рабочая характери-стика между давлением заправки и частотой, которой соответствует максимальное значение холодопроизводительности. При анализе дан-ной характеристики видно, что при малых давлениях заправки, менее 1,8∙106 Па холодильная машина не работает. Уровень потерь в регенера-торе превышает величину располагаемой и тем более полезной холодо-производительности. Машина начинает работу при частоте вращения привода 300 об/мин. Рабочее тело при малых оборотах программы фор-сирования холодильной машины фактически не меняется, но при уве-личении оборотов с целью уменьшения количества заправленного рабо-чего тела целесообразно уменьшить температуру компрессорной полос-ти. Это связано с теплофизическими свойствами рабочего тела. Чем меньше отношение температур холодной и горячей полости, то есть чем меньше Тх, тем быстрее растет давление заправки. И наоборот, чем больше Тх, тем больше число оборотов ГХМ. При этом расхождение по частоте для базового значения Рз = 0,2 МПа составляет всего 160 об/мин., а при n = 1000 об/мин. изменение Рз менее 0,02 МПа.


59

УДК 621.3.082 Мамедов А.Ч.

Научный руководитель: Батурин О.В., к.т.н., доцент

РАЗРАБОТКА МАЛОРАЗМЕРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

ТЯГОЙ 400 Н

Малоразмерные газотурбинные двигатели (ГТД) тягой до 400 Н в основном применяются в качестве силовых установок беспилотных ле-тательных аппаратов (БПЛА) и действующих моделей реактивных са-молетов. Существующие двигатели такого класса требуют через каждые 25 часов технического обслуживания, связанного с заменой подшипни-ков и других напряженных элементов. Кроме того, они требуют специ-альной подготовки топлива, поскольку оно применяется в качестве смазки. Таким образом, эксплуатация доступных ГТД рассматриваемого класса является дорогой и требует привлечения квалифицированных специалистов к её обслуживанию.

Таким образом, для того, чтобы вновь проектируемые ГТД для БПЛА имели преимущества перед имеющимися, необходимо найти ре-шения ряда важнейших задач. В частности, должна быть уменьшена стоимость двигателя, увеличен его ресурс и сокращен объём и слож-ность обслуживания в эксплуатации.

Для снижения стоимости и сокращения затрат на его ремонт и об-служивание вновь проектируемый ГТД должен быть максимально про-стым и состоять из минимального числа деталей. Наиболее полно этому требованию удовлетворяет двигатель, имеющий одноступенчатый цен-тробежный компрессор и одноступенчатую неохлаждаемую турбину. Выбор оптимальных с точки зрения топливной экономичности парамет-ров рабочего процесса и термодинамическое проектирование такого ГТД описаны в работе, опубликованной в «Вестнике СГАУ» (По-пов Г.М. «Выбор типа газотурбинного двигателя и параметров его ра-бочего процесса для использования на БПЛА»).

Другой важной проблемой при создании ГТД для БПЛА является выбор подшипников, поскольку именно они ограничивают ресурс и требуют значительного объёма технического обслуживания. В этой свя-зи нами было предложено использовать лепестковые газовые подшип-ники. Они отлично работают при высоких частотах вращения, свойст-венных ГТД рассматриваемого типа, имеют высокий ресурс, широкий


60

диапазон рабочих температур, экологичны и не требуют смазки. По-следнее обстоятельство позволяет вовсе отказаться от маслосистемы.

Опираясь на приведенные выше рассуждения и результаты термога-зодинамического расчёта, было проведено газодинамическое проектиро-вание всех узлов двигателя, на основе которого была разработана конст-рукция ГТД. Изображение компьютерной 3D модели спроектированного двигателя, созданной в программе Unigraphics, приведено на рис.

Рис. Трехмерная модель малоразмерного ГТД

Спроектированный двигатель представляет собой простейший од-новальный ТРД с одноступенчатым центробежным компрессором, про-тивоточной кольцевой камерой сгорания и неохлаждаемой одноступен-чатой осевой турбиной. Ротор двигателя устанавливается на четыре ле-пестковых газовых подшипника: два из них (перед компрессором и пе-ред турбиной) воспринимают только радиальные нагрузки, два других (за компрессором) воспринимают только осевые усилия.

Другой важной особенностью двигателя является наличие старте-ра-генератора, расположенного в переднем корпусе. Он предназначен для запуска неработающего двигателя. Во время полёта он выполняет роль генератора, снабжая летательный аппарат электричеством, необхо-димым для работы оборудования, находящегося на борту. Стартер-генератор представляет собой высокоскоростной электродвигатель с безобмоточным ротором на постоянных магнитах. Ротор генератора ин-тегрирован в конструкцию ротора двигателя.

Ожидаемый межремонтный ресурс работы двигателя – 100 часов.


61

УДК 004.92 Матвеев Д.А.

Научный руководитель: Соловацкая Л.В., ст. преподаватель

СОСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ БАЗ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «АРМС-ГРАФИКА»

На кафедре инженерной графики СГАУ разрабатывается комплекс для самостоятельной работы студентов «АРМС-графика». Эта програм-ма должна обеспечить студента всеми необходимыми ему данными для выполнения своей работы с одного рабочего места.

В настоящее время решается задача выбора языка программирова-ния и создания интерфейса комплекса.

Однако более важной и сложной оказалась проблема структуриро-вания и наполнения баз данных программного комплекса. Все материа-лы должны быть структурированы таким образом, чтобы любой пользо-ватель, студент или преподаватель, мог легко ориентироваться и быстро находить необходимую им информацию.

На начальном этапе авторами данной публикации были просмотре-ны все справочные материалы, методические указания и пособия, кото-рые имеются в наличие в бумажном варианте на кафедре инженерной графики, однако этого оказалось недостаточно. Следующим этапом ста-ло изучение литературы в библиотеке по данной тематике, в том числе учебных пособий, выпущенных другими учебными заведениями. Вы-полнялся просмотр электронных ресурсов – методических изданий и статей.

В процессе поиска и отбора необходимого материала авторы выде-лили следующие серьезные проблемы:

– отсутствие большого числа печатных изданий в электронном виде; – несоответствие данных в различных изданиях; – огромное количество несистематизированной информации; – плохое качество информации для дальнейшего использования и

необходимость её предварительной переработки. Решение проблем авторы решили начать с выявления противоре-

чий между источниками. Для этого проводилась сверка данных из раз-личных учебных пособий с текстом стандартов, изучение справочной информации и отбор необходимой. Следующим этапом стала перера-ботка графических изображений и чертежей в графическом пакете ADEM 8.1, так как сканированные изображения из печатных изданий


62

имели низкое качество. Изображения, выставленные на сайтах в Интер-нете, как правило, могли быть использованы только для просмотра, по-этому их необходимо было воспроизводить заново.

На завершающем этапе все собранные материалы и изображения подвергались структурированию с той целью, чтобы облегчить поиск, изучение и использование всей информации. При составлении баз дан-ных авторы руководствовались следующими критериями:

– разделение всей информации на тематические разделы, соответ-ствующие графическим работам студентов (альбомы чертежей);

– разделение информации внутри тематического раздела на дидак-тические единицы по тематике каждого чертежа;

– разделение информации в каждой подгруппе по этапам выполне-ния конкретного чертежа.

Кроме этого, должны быть созданы базы с основными правилами черчения (геометрическое и проекционное черчение), текстовые вклад-ки с различного рода информацией (например, значения шероховатости для типовых поверхностей), таблицами размеров на стандартные изде-лия (например, болт, винт и др.), вспомогательные видео (технологиче-ская обработка конструктивных элементов) и графические материалы (схемы простановки размеров, чертежи инструментов и др.), а также ба-зы с параметрическими моделями конструктивных элементов.

Прежде всего, программа предназначена для обеспечения всеми необходимыми справочными материалами студентов, выполняющих чертежи деталей, выполняемых студентами в графических работах вне аудиторных занятий без присутствия преподавателя с одного рабочего места. Кроме этого, на базе сформированных типовых представителей планируется создать базу вариантов заданий для кафедры механической обработки материалов (МОМ) в рамках программы интеграции кафедр. Эта работа подразумевает создание чертежа и объёмной модели детали на кафедре инженерной графики и изготовление её студентами на ка-федре МОМ.

Данная работа является лишь начальным этапом в проведении пол-ного исследования всей информации. Для последующего включения её в базу данных программы «АРМС-графика». Планируется поэтапно от-бирать новую информацию и включать её в общую структуру баз дан-ных. Кроме того, необходимо и отслеживать изменения в нормативных документах и своевременно редактировать информационную базу «АРМС-графика».


63

УДК 621.452.3 Машков В.А.


ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ ВОЗДУШНЫХ СИСТЕМ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В зарубежных источниках различные внутренние воздушные сис-темы ГТД рассматриваются как подсистемы одной непосредственной системы подачи воздуха на нужды двигателя, тогда как отечественные авторы рассматривают их отдельно: противообледенительная система, система охлаждения, система наддува разгрузочных и предмасляных полостей, система регулировки радиальных зазоров и прочие внутрен-ние воздушные системы двигателя. Для примера проанализируем неко-торые из этих систем.

Для защиты от обледенения элементов конструкции, расположен-ных во входном тракте двигателя (обтекатель, лопатки ВНА, воздухо-разделительные перегородки и т. п.), используется воздух, отбираемый от компрессора двигателя. В ТРДД Д-30 горячий воздух из компрессора проходит внутри лопаток направляющего аппарата, обогревая их, по-ступает на обогрев наружной обечайки кока и через отверстия в обе-чайке выходит в воздушный тракт компрессора. Для обогрева входного устройства ТВД АИ-20 используется воздушно-тепловая система, горя-чий воздух в которую поступает при помощи теплообменников, обогре-ваемых выходящими газами.

Активное регулирование радиальных зазоров предназначено для уменьшения рассогласования темпов прогрева роторных и статорных частей турбины. САУРЗ управляет тепловой инерционностью статора с помощью управляемого его охлаждения. На двигателе CF6-80C2 систе-ма обдува корпусов ТВД и ТНД обеспечивает не только обдув через трубопроводы, но и с помощью специальных кожухов прижимает ис-пользованный воздух к корпусу ТВД для улучшения теплообмена. На двигателе PW6000 для улучшения реакции корпусов на них выполнены дополнительные ребра, к которым непосредственно приближена систе-ма обдува.

В ГТД обеспечивается централизованный наддув опор всего двига-теля от одного питающего воздуховода через клапан переключения наддува с последовательным распределением подаваемого воздуха на все опоры, начиная с компрессора. Такой наддув снижает возможность попадания масла из маслосистемы в газовоздушный тракт двигателя на


64

режимах запуска и останова двигателя за счёт создания избыточного давления в предмасляных полостях по отношению к давлению в газо-воздушном тракте в районе опор путем подачи воздуха от одной из сту-пеней компрессора высокого давления.

Для охлаждения лопатки или диска турбины может использоваться воздух, отбираемый за КВД или за одной из его ступеней. Для наружне-го охлаждения корпусов турбин используется воздух из-за КНД или вентилятора. В двигателях Д-30Ф6 и АЛ-31Ф воздух, идущий на охлаж-дение лопаток статора ТВД, предварительно охлаждается в воздухо-воздушном теплообменнике, установленном в наружнем контуре ТРДД. А в двигателях НК-93 и RB-211 применяется подкручивающая решетка, в которой окружная составляющая скорости воздуха становится при-мерно равной окружной скорости диска, что исключает трение и, как следствие, подогрев воздуха.

Осевые силы, действующие на ротор двигателя, не должны превы-шать заданных значений, так как этим ограничивается работоспособ-ность подшипника. Одним из методов снижения этой осевой силы явля-ется использование разгрузочной полости. Учитывая, что осевая сила, воспринимаемая РУП равна разности осевых сил на роторе компрессо-ра и роторе турбины, для её снижения необходимо уменьшать осевую силу на роторе компрессора и увеличивать осевую силу на роторе тур-бины. Для этого образуют разгрузочные полости, ограниченные лаби-ринтными уплотнениями.

Целью данной работы является повышение эффективности работы внутренних воздушных систем авиационных ГТД путём разработки ме-тодики расчета параметров воздуха во всей системе при известных па-раметрах тела в местах отбора и выпуска. Методика расчёта представ-ляет собой следующий алгоритм:

1) термогазодинамический расчет двигателя (АСТРА); 2) гидравлический расчет системы внутреннего воздухоснабжения; 3) тепловой стационарный расчет (ANSYS); 4) структурный стационарный расчет (ANSYS). Результаты выполненных расчётов позволяют сформировать пред-

ставления о различных системах внутреннего воздухоснабжения как о единой целой системе и повысить КПД двигателя за счёт оптимизации расхода воздуха из компрессора.


65

УДК 621.6.028 Меркулов А.А.

Научный руководитель: Довгялло А.И., д.т.н., профессор,

Угланов Д.А., к.т.н., доцент

ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ

В РЕГАЗИФИКАТОРАХ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Цель работы – оценка располагаемой энергии при газификации сжиженного природного газа и возможности применения термоэлектри-ческих генераторов для утилизации этой энергии. В работе рассмотрена работа газификатора с характеристиками, характерными для применяе-мых в промышленности образцов. Процесс газификации разбит на три участка:

– подогрев сжиженного метана, поступающего из баллона хране-ния, от 110 до 135 К;

– непосредственно газификация метана при температуре 135 К и давлении в 5 бар;

– дальнейший подогрев газообразного метана до температуры ок-ружающей среды с учётом недорекуперации в 15 градусов.

Рассчитано количество тепла, потребляемого данным газификато-ром на каждом из участков газификации при заданном расходе и в удельной форме. Используя данные по параметрам термоэлектрических материалов при криогенных температурах, произведена оценка работы термоэлектрических модулей, установленных на трубопровод газифика-тора, рассчитана суммарная мощность всего термоэлектрического гене-ратора. Давление принято постоянным и равным 5 бар, теплоёмкость сжиженного и газообразного метана взята по средней температуре каж-дого участка.

Результаты расчёта показывают, что применение термоэлектриче-ских генераторов при газификации сжиженного природного газа позво-ляет генерировать электроэнергию мощностью в 24 кВт. Приведены удельные характеристики для расчёта мощности при любом расходе ме-тана. Площадь поверхности оребрения при этом допускает монтаж не-обходимого количества термоэлектрических модулей. Срок окупаемо-сти составил 4-5 лет, что является удовлетворительным.


66

УДК 629.7.036(075.8) Нечаев А.Д.

Научный руководитель: Егорычев В.С., к.т.н., доцент

ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ СПРОЕКТИРОВАННОЙ СТРУЙНО-СТРУЙНОЙ ФОРСУНКИ

С ПОМОЩЬЮ ANSYS FLUENT

В рамках курсовой работы «Расчёт и проектирование смесеобразо-вания в жидкостном ракетном двигателе» мною была спроектирована двухкомпонентная струйно-струйная форсунка и рассчитаны её пара-метры. Целью моего исследования является проверка данного метода расчёта с более точным, представленным в ANSYS Fluent, который по-зволяет рассмотреть смешение и распыление струй компонентов в гра-фическом виде на протяжении проточной части всей форсунки.

В данной научной работе был проведён поверочный расчёт двух-компонентной струйно-струйной форсунки жидкостного ракетного дви-гателя ступени межорбитального транспортного аппарата, работающего на компонентах жидкий кислород и жидкий водород (О2ж и Н2ж), яв-ляющихся наиболее распространенными и наиболее экологически чис-тыми по сравнению с существующими в настоящее время, создающей пристеночный слой потока продуктов сгорания в камере двигателя. Бла-годаря наличию четырех наклонных радиальных отверстий, данный тип форсунки может обеспечить необходимые параметры смешения и соз-дание более холодного пристеночного слоя потока в камере для предот-вращения прогорания стенок камеры. Главной сложностью работы яв-лялось моделирование многофазного течения компонентов в проточной части форсунки.

Расчёт был проведен при условиях, близких к реальным условиям работы форсунки на данной ступени летательного аппарата в пакете ANSYS Fluent, являющийся частью программного комплекса ANSYS Workbench.

Результаты поверочного расчёта показали, что спроектированная форсунка обеспечивает необходимые параметры смешения компонен-тов, статические параметры, кинематические параметры движения топ-ливной смеси в проточной части двухкомпонентной струйно-струйной форсунки.


67

УДК 621.452.3 Никифорова А.А.


АНАЛИЗ ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ АВИАЦИОННЫХ ТРДД

ТРДД стали основным типом силовой установки для дозвуковых и сверхзвуковых самолётов. Проанализируем тенденцию развития пара-метров рабочего цикла проектируемых ТРДД.

В данной работе был выполнен термодинамический расчёт двигате-лей-прототипов М88, CFM 56, JT9D в программе АСТРА и получены графики зависимости удельного расхода топлива Суд от степени двухкон-турности m при МП = 0, Н = 0. Результаты расчёта были сопоставлены с литературными источниками («Труды ЦИАМ» №1343, Голубев В.А. «Двухконтурные авиационные двигатели»).

Двухконтурные двигатели дозвуковых самолётов имеют более вы-сокую экономичность по сравнению с одноконтурными. Снижение удельного расхода топлива Суд в ТРДД достигается путем повышения значений параметров термодинамического цикла Тг

*, π*к∑ и степени

двухконтурности m. Расчёты показали, что удельный расход топлива Суд в ТРДД со степенью двухконтурности m ≈ 8 снизился по сравнению с ТРД m = 0 примерно в три раза. Также в программе АСТРА были по-лучены зависимости удельной тяги Руд от Т г

*, проанализированы удель-ные параметры (Р, Суд , π*

к∑) вышеуказанных зарубежных двигателей. Расчёт показал, что у двигателя 3-го поколения (М88) при МП = 0,

Н = 0 км параметры рабочего процесса были умеренными (Т г* = 1400 К,

π*к∑ = 20, m = 1...2), а Суд = 0,78…0,69 кг/(даН∙ч).

У двигателей 4-го поколения (CFM 56, JT9D) параметры рабочего процесса возросли (Т г

* = 1550…1650 К, π*к∑ = 25…30, m = 4,5…6,5).

Удельный расход топлива Суд снизился до 0,65…0,61 кг/(даН∙ч). Внедрение высокоэффективных систем охлаждения в двухконтур-

ные двигатели 5-го поколения (GE90, PW4000, Trent) позволило увели-чить в них температуру газа на входе в рабочее колесо турбин Т г

* = 1800…1850 К. При этом π*к∑ = 35…45, m = 8…10, а удельный

расход топлива Суд = 0,52…0,56 кг/(кгс∙ч). Сопоставив результаты параметров двигателей, полученные в про-

грамме АСТРА, с литературными источниками, мы получили допусти-мую погрешность.


68

УДК 621.91.01 Николаев И.Е.

Научный руководитель: Нехорошев М.В., ассистент, инженер

АНАЛИЗ ПОЛУЧАЕМОЙ ПОГРЕШНОСТИ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ, СВЯЗАННОЙ С ВИБРАЦИЕЙ

В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ, С ПОМОЩЬЮ CAE СИСТЕМЫ ANSYS

На современном этапе развития авиадвигателестроительного мно-гономенклатурного производства решается задача повышения произво-дительности и улучшения качества изготовляемой продукции. В про-цессе резания в ячейках технологической системы могут возникать ко-лебания, называемые вибрациями. Технологическая система в общем случае представляет собой совокупность функционально связанных средств технологического оснащения, предметов производства и испол-нителей. Практика показала, что при различных условиях обработки могут появляться колебания детали, оборудования и инструмента раз-ной частоты.

Наиболее интересными для изучения представляются вынужден-ные колебания. Они возникают вследствие наличия в системе внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы. Причиной появления возмущаю-щей силы могут быть силы, обусловленные процессом резания или си-лы, возникающие в технологической системе вне зоны резания.

Условия возникновения колебаний в зоне резания можно анализиро-вать на основе экспериментальных исследований и численных математи-ческих моделей. При раз-работке модели принима-ется, что в процессе реза-ния наиболее интенсив-ные колебания возникают в одном из элементов тех-нологической системы – инструменте или детали. Так, при точении кон-сольно закрепленного ва-ла (см. рис.) колебания с наибольшей амплитудой

Рис. Схема к моделированию колебаний консольно закрепленного вала

при продольном точении


69

имеет деталь (вал), при сверлении или фрезеровании концевыми фреза-ми – инструмент (как вал переменной жесткости), при растачивании – также инструмент.

Чтобы проанализировать влияние вынужденных колебаний на точ-ность изготовления, необходимо провести трудоёмкие комплексные экспериментальные исследования с использованием CAD/CAM/CAE-пакетов. Наилучшим комплексом для исследований данного типа пред-ставляется комплекс ANSYS Workbench.

Для решения проблемы по поиску причин возникновения вынуж-денных колебаний построена 3D-модель элементов технологической системы в системе Siemens NX 8.5. Данная программа позволила наибо-лее точно и быстро построить модель.

Далее произведен модальный расчёт построенной модели в системе Workbench. Прикладывая к технологической системе определенные значения сил и меняя их значения, нам удалось определить, на каких частотах появляется резонанс, что является следствием возникновения вынужденных колебаний.

Проведенный расчёт позволил найти величину непосредственно самих колебаний и судить о том, при каких условиях возникают их мак-симальные и минимальные значения.

Необходимо так же с помощью варьирования значениями сил реза-ния и параметрами технологической системы найти отклонения самого геометрического профиля детали, что позволит нам судить о том, при каких параметрах вибрации будут наиболее интенсивными.

Стоит упомянуть, что немаловажную роль играет воздействие ко-лебательной силы непосредственно и на инструмент. Поэтому для наи-более адекватного проведения анализа необходимо учесть и воздейст-вие колебаний данного рода.

Сравнение расчётов и полученных результатов позволило авторам найти пути снижения и полного устранения вынужденных колебаний, что в конечном итоге существенно снизило получаемые погрешности после обработки и повысило качество производимой продукции.


70

УДК 629.7.036 Никонова Е.А.

Научный руководитель: Сулинов А.В., к.т.н., доцент

CFD-МОДЕЛИРОВАНИЕ ОДНОСТУПЕНЧАТОЙ ОСЕВОЙ ПРЕДКАМЕРНОЙ ТУРБИНЫ

ТНА ЖРД ВANSYS CFX

В настоящей работе рассматривается рабочий процесс в односту-пенчатой предкамерной осевой турбине ТНА ЖРД. Целью исследова-ния является оптимизация алгоритма расчёта турбины ТНА ЖРД с по-мощью пакета программ ANSYS CFX.

На основе данных газодинамического расчета построена объемная геометрическая модель турбины. Создание геометрической модели вы-полняется в системе CAD-моделирования ANSYS Design Modeler, встро-енной в систему ANSYS Workbench. В целях уменьшения времени поиска решения рабочий процесс в сопловом аппарате и рабочем колесе заменён рабочим процессом в одном межлопаточном канале с наложением усло-вий периодичности.

В ходе исследования были найдены оптимальные параметры сетки, обеспечивающие достаточно высокую точность расчёта и небольшое требуемое время поиска решения. Применена тетраэдральная сетка с включенным параметром «curvature»; высокими значениями параметров сглаживания и относительного размера ячеек; сгущением вблизи по-верхностей втулки, бандажа и лопаток. Применена модель турбулентно-сти «k-epsilon» и модель смешения потоков «stage».

Для обеспечения устойчивой работы решателя проведен предвари-тельный расчёт с наложением граничных условий типа «давление на вхо-де – расход на выходе» и ступенчатое понижение давления на выходе.

Полученное решение соответствует результатам теоретического расчёта, что подтверждает правильность принятых допущений и выбора моделей процессов. Результаты работы планируется использовать при создании методической литературы по CFD-моделированию рабочих процессов в турбинах ТНА ЖРД.


71

УДК 621.6.05 Новиков А.В.


ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА

При хранении сжиженного природного газа и других криогенных жидкостей неизбежно происходит испарение части жидкости за счет те-плопритока из окружающей среды. В результате этого применяют хра-нение жидкостей в закрытых системах. В резервуаре с СПГ при подводе тепла из окружающей среды около внутренней стенки реализуется сво-бодно-конвективное движение. В результате подогретая жидкость под-нимается к верхней области – разделу сред жидкость-пар. На поверхно-сти поток течет к центру баллона, смешиваясь с «холодными» слоями и вызывая образование слоя жидкости, в котором имеется градиент тем-пературы в вертикальном направлении. Это явление расслоения извест-но как стратификация.

Существует две причины, объясняющие поведение СПГ в баке для хранения, где есть расслоение в жидкости. Одной из причин является самопроизвольное перемешивание верхних и нижних слоев СПГ. Ниж-ние слои жидкости в криогенном баке подогреваются. В момент дости-жения более теплыми слоями самого верхнего слоя, они испаряются, и происходит резкое возрастание давления (на рис. показаны стадии про-текания стратификации). Опасность заключается во возникновении по-вышенных напряжений в стенках резервуара, а также прорыве предо-хранительных клапанов.

Рис. Стадии протекания стратификации


72

Другой причиной является тепловое перенасыщение, которое разру-шает верхний слой жидкости, в результате чего давление в баллоне изме-нится в соответствии с объёмной (более теплой) температурой жидкости.

Наиболее важными факторами, от которых зависит температурное расслоение, являются тепловой поток от стенок резервуара, степень за-полнения резервуара, доли тепла, идущие на нагрев жидкой и паровой фаз и фазовый переход, отношение теплоёмкости внутренней оболочки резервуара к теплоёмкости жидкого криопродукта, отношение коэффи-циентов теплопроводности оболочки резервуара и жидкости и др.

Стратификация в баллоне может быть обнаружена: 1) измерением распределения в вертикальном направлении темпе-

ратуры (и плотности) жидкости. Разность температур 6-7 °C может вы-звать стратификацию;

2) контролем разности плотностей между поступающим СПГ в баллон и СПГ, находящимся в нём. Большая разность теплоёмкостей между поступающим СПГ и СПГ в баллоне может спровоцировать рас-слаивание.

3) контролем темпа испарения жидкости в баллоне. Стратификация обычно приводит к снижению интенсивности процесса, но также стоит учесть большое влияние атмосферного давления на газифицированный крипродукт.

Для предотвращения стратификации сжиженного природного газа существуют следующие методы борьбы с ней.

1. Принудительное перемешивание жидкостей с помощью рецир-куляционных насосов для получения более равномерных объёмных плотностей и температур. Перемешивание за счёт рециркуляции раз-личных слоев часто требует большего количества времени для того, чтобы предотвратить стратификацию. При этом работа насосов привно-сит тепло в баллон, тем самым увеличивая общее давление пара. Одна-ко этот метод может быть использован, если время, необходимое для перемешивания нижнего слоя, значительно меньше, чем время для вы-равнивания плотности между слоями.

2. Перемешивание потоков поступающего сжиженного газа в бак со сжиженным газом в процессе его перекачки. Этот процесс эффекти-вен, если он производится под большим давлением и высокой скоро-стью потока, например, при заправке танкеров.


73

УДК 621.452.3 Остапюк Я.А.


ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АНТИПОМПАЖНЫХ УСТРОЙСТВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В последние десятилетия в связи с расширением сферы применения турбонагнетателей и ростом их аэродинамической нагруженности про-блема обеспечения устойчивой работы компрессоров и вентиляторов ста-ла весьма актуальной. Поэтому нахождение путей повышения запасов ус-тойчивости и устранения помпажа является очень важной задачей.

Анализ используемых антипомпажных устройств, таких как клапаны перепуска воздуха и регулируемые направляющие аппараты, показывает, что их использование тем или иным образом изменяет характеристику компрессора или сети. Широко применяемый метод перепуска воздуха за компрессором связан с уменьшением КПД двигателя, снижением тяги и увеличением удельного расхода топлива. Поэтому исследование конст-рукции антипомпажных устройств направлено на отыскание способа, не связанного с потерями энергии и напорности компрессора или сводящего таковые к минимуму. Также минусом широко применяемых антипом-пажных устройств является увеличение массы и габаритов двигателя.

Программный пакет ANSYS CFX используется для проведения различных численных расчётов за счёт заложенного в нем метода ко-нечных элементов. Но на сегодняшний день его интерфейса недоста-точно для быстрого построения моделей конструкций. В связи с этим, согласно разработанной методике, модель антипомпажного устройства создается при помощи программного пакета Solid Works.

В дальнейшем все действия проводятся в программном пакете ANSYS Workbench: задаются вход и выход потока газа для каждой кон-струкции, а так же для упрощения и ускорения процессов расчёта, при помощи плоскости симметрии модель разбивается на симметричные части, и производится расчёт только одной из них.

Как указывалось выше, в ANSYS CFX заложен метод конечных элементов, поэтому следующим шагом является построение сетки и за-дание нагрузок.

В работе был проведен обзорный анализ методов и средств антипом-пажной защиты. Рассмотрены особенности антипомпажных устройств, для которых предложены и разработаны принципиальные математиче-


74

ские модели антипомпажного регулирования. Для решения поставленных задач были рассмотрены теоретические аспекты основных методов и воз-можностей программного пакета ANSYS, а также представлены некото-рые примеры решения задач, часто встречающихся на практике.

Разработана методика проектирования РНА включающая следую-щие этапы.

1. Анализ работы РНА и требований к нему. 2. Формирование исходных данных посредством газодинамическо-

го расчета профилей лопаток, треугольников скоростей, диапазонов ре-гулирования по углу, законов регулирования.

3. Проведение предварительного проектирования. 3.1. Выбор места установки оси на профиле, геометрических пара-

метров цапфы. 3.2. Определение газовых сил, составление расчётной схемы и

оценка напряжений и запасов прочности. При необходимости перепро-филируется лопатка.

3.3. Выбор конструкции опор и условий сборки, конструкции креп-ления рычага на оси и радиальной фиксации лопатки.

3.4. Выбор схемы и конструкции управления РНА. 4. Уточнение параметров посредством проверочного расчёта. 4.1. Выполнение объёмной модели устройства 4.2. Определение граничных условий и нагрузок. 4.3. Определение усилий и деформаций элементов. 4.4. Оценка работоспособности узла. 4.5. Оценка ресурса узла. 4.6. Оптимизация конструкции деталей узла. С помощью созданных моделей можно имитировать срабатывание

механизма с получением необходимых временных зависимостей. Ис-пользуя получившиеся параметризованные модели, можно выполнить анализ конструкции, произвести изменения, рассчитать и сравнить но-вый вариант конструкции с уже существующими. Более того, можно, опираясь на уже существующую модель, произвести синтез с использо-ванием пакета кинематики и динамики. В процессе создания параметри-зованной модели, если она слишком сложная и содержит много элемен-тов, целесообразно сначала создать стержневую модель, которая полно-стью отражает исходную, но гораздо проще в восприятии и идеально подходит для анализа характера соединений между элементами. Такое моделирование, непременно, является более привычным для инженера, создающего новую конструкцию, чем проектирование модели сразу со всеми сложными твёрдотельными технологическими элементами.


75

УДК 621.822.187 Паровай Е.Ф.

Научный руководитель: Фалалеев С.В., д.т.н., профессор

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ

ОТ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ И ОТ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЫБОРА

РАСЧЁТНОЙ МОДЕЛИ

Успех разработки оптимальной конструкции гидродинамического подшипника напрямую связан с созданием методики проектирования, которую, в свою очередь, следует строить на основе постоянно расту-щих возможностей современных средств CAE-моделирования. Целью исследования является выявление зависимостей характеристик гидро-динамического подшипника от различных факторов.

Расчётная модель гидродинамического подшипника с самоустанав-ливающимися вкладышами интересна учётом конструктивных и экс-плуатационных особенностей гидродинамического подшипника нового типа, а именно расточки вкладышей в радиус вала и работы в условиях недостаточного маслоснабжения («масляного голодания»). В частности, модель учитывает малые величины зазора между валом и рабочей по-верхностью вкладышей (от 5 мкм), являющиеся следствием расточки вкладышей в радиус вала. В работе для исследования влияния эксплуа-тационных факторов на характеристики подшипников были использо-ваны так называемые псевдотрехмерные модели гидродинамического подшипника (толщиной в один конечный элемент), включающие в себя гидродинамическую модель твердого тела RigidBody (имитация враще-ния и «всплытия» вала), подготовленные для нестационарных (Transient) расчётов в ANSYS CFX. Также следует отметить тот факт, что выбранная в программном расчёте модель турбулентности и тепло-передачи в значительной степени влияла на характер сходимости расче-та и на конечный результат. В расчётах была применена модель дефор-мации сетки Diplacement Diffusion, в которой задавалась повышенная жёсткость деформируемой сетки около поверхностей (пристеночный слой), что при определенных условиях предотвращало сильное «смя-тие» конечных элементов до нерасчётной формы при их деформации.

В результате расчётов были получены распределения давлений в зазоре подшипников с аксиальной расточкой вкладышей (традиционная


76

конструкция) и с расточкой вкладышей в радиус вала. Вид полученных зависимостей совпал с теоретическими: характер распределения давле-ний в случае расточки вкладышей в радиус вала более сглаженный (реа-лизация «наполненной» эпюры), в случае аксиальной расточки – «пико-вый», максимальное значение давления почти в 2 раза выше, чем для расточки в радиус вала. Данная картина распределения давлений объяс-няет повышенный ресурс подшипников нового типа, полученный в ходе испытаний. Характер распределений давления, полученный в результа-те программных расчётов, очень близок к теоретическим и полученным ручным способом с использованием аналитических формул (в частно-сти, из методики В.А. Воскресенского для расчёта характеристик сег-ментных подшипников с самоустанавливающимися вкладышами). Ис-пользование функции Rigid Bode Solution на первых этапах динамиче-ских расчетов стало адекватной заменой расчетам FSI. Анализ решения гидродинамических задач вращающейся конической щели на прошлых этапах также показал высокую точность соответствия результатов про-граммных и аналитических расчетов при условии хорошего качества КЭ. В результате проведенных ручного расчёта по методике В.А. Вос-кресенского и программного расчёта в ANSYS CFX были найдены со-ответствующие значения минимального зазора Hmin, разность которых составила 26 %, что является следствием несовершенности методики Воскресенского (двухитерационность, использование таблиц и аппрок-симация их данных между расчётными значениями и т. д.), влияния вы-бранной модели турбулентности, отклонения характеристик смазки и пр. Также была получена динамическая характеристика поведения вала («всплытия») в процессе Transient-расчёта для твердого тела Rigid Body.

В процессе расчётов было проведено исследование зависимостей характеристик подшипника от частоты вращения ротора, температуры смазки в системе. Результаты, полученные в работе, открывают пути дальнейших исследований, программных расчётов в ANSYS CFX и соз-дания рабочей методики проектирования гидродинамических подшип-ников нового типа. Используя полученные результаты, можно присту-пать к 3D-моделированию подшипника с упругим подвесом вкладышей с учётом жёсткостных и демпфирующих характеристик материала под-веса. Неточности, найденные в существующих методиках, дают толчок к совершенствованию методов расчёта, создания программ автоматизи-рованного моделирования, в том числе использования параметрических моделей типовых конструкций подшипников.


77

УДК 621.813 Радин Д.В., Волков М.В. Научный руководитель:

Чемпинский Л.А., к.т.н., профессор

ИЗУЧЕНИЕ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

Работа посвящена изучению распределения сил между витками резьбы в болтовом соединении.

Актуальность данной темы не вызывает сомнения, так как резьбо-вое соединение является наиболее распространенным видом разъёмных соединений. В современных машинах свыше 60 % всех деталей имеют резьбу. Расчёт резьбовых соединений в настоящее время производится в соответствии с ГОСТами, разработанными в СССР. Однако технологии сильно продвинулись вперед, и эти нормы устарели.

Рассмотрение нагрузки в резьбовом соединении производилось ме-тодами сопротивления материалов. В ходе исследования было выявле-но, что нагрузка по виткам резьбы распределена неравномерно. На пер-вый, наиболее нагруженный виток, приходится около 1/3 всей нагрузки. Это объясняется тем, что разность осевых деформаций тела болта и гай-ки компенсируется разностью прогибов витков. Неравномерность рас-пределения усугубляется ещё и тем, что витки на наиболее растянутой части винта сопряжены с витками, расположенными в наиболее сжатой части гайки. На 10-й виток приходится менее 1/100 нагрузки. При такой неравномерности распределения сил по виткам большое увеличение длины резьбы на болте и высоты гайки оказывается бесполезным.

Выравнивание нагрузки в резьбе особенно важно в соединениях, работающих при циклических нагрузках. Разрушение таких соединений носит усталостный характер и происходит в зоне наибольшей концен-трации напряжений, то есть у нижнего витка резьбы. В таких случаях необходимо применение специальных гаек. Асимметрия профиля таких гаек в сочетании с увеличенным, изменяющимся по длине свинчивания, радиусом обеспечивает эффективное выравнивание нагрузки по виткам.

В процессе работы была создана база для дальнейших исследова-ний, которые будут направлены на изучение свободной резьбы, остав-ляемой над гайкой в болтовом соединении. В том числе продумана и сделана объёмная модель в CAE-системе ANSYS.


78

УДК 621.77 Сереброва Е.Д., Унжина М.А.,

Яворович Е.В., Елисеев И.К. Научный руководитель:

Балякин А.В., ассистент, инженер

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ,

ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ АВИАСТРОЕНИЯ

В статье рассматривается моделирование реологических свойств труднообрабатываемых материалов, применяемых в компрессоре высо-кого давления газотурбинного двигателя (КВД ГТД) и перспективных материалов, в том числе композиционных материалов, планируемых к применению при изготовлении авиационных двигателей.

Объектом исследования являются лопатки КВД ГТД. Целью настоящей работы является изучение и моделирование рео-

логических свойств хромисто-никелевых сплавов, подвергнутых ВСО фрезерованием.

Для эксперимента был выбран сплав ХН45МВТЮБР-ИД. В процессе работы было проведен аналитический обзор средств

виртуального моделирования ВСО в CAE-системах. Разработаны сле-дующие методики: методика структурного моделирования реологиче-ских свойств механически обрабатываемых материалов на основе фе-номенологического подхода; методика проведения эксперимента. Про-ведены испытания для получения экспериментальных данных моделей реологических свойств.

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы. • Феноменологическая модель вязко-пластичного материала досто-

верно отражает его реологию при высокоскоростном фрезеровании. • Полученное локальное снижение усилия резания в области по-

лиморфных превращений при обработке фрезерованием сплава ХН45МВТЮБР-ИД незначительно, поскольку требует использования специального режущего инструмента с оптимизированной под эти ре-жимы геометрией и проведения дальнейших исследований.


79

УДК 67.05 Сереброва Е.Д.


РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В данной работе разрабатывается стратегия изготовления тонко-стенных сложно-профильных кольцевых деталей.

Получение тонкостенных сложно-профильных кольцевых деталей большого диаметра с рабочими поверхностями точных геометрических размеров и требуемой твёрдости с сохранением конфигурации и разме-ров в пределах допускаемых величин является одной из серьёзных и сложных задач машиностроения, т. к. при изготовлении указанных де-талей возникают существенные отклонения от заданных геометриче-ских размеров, а именно, овальности, кривизны, которую корректируют с помощью оправки, и т. д.

Кольцевые тонкостенные детали больших диаметров изготавлива-ются стали, чугуна, алюминиевых, титановых, никелевых сплавов.

При изготовлении заготовок деталей, имеющих форму колец, рас-катывают кольцевые заготовки. Этим достигается повышение точности заготовок за счёт почти полного устранения их разностенности и оваль-ности, приближение формы сечения заготовки к форме сечения готовой детали и получение колец значительно больших размеров, чем это до-пускает мощность современных горизонтально-ковочных машин, на ко-торых обычно предварительно получают кольцевую форму заготовок. Раскатка широко применяется при изготовлении заготовок для колец подшипников качения. Раскаткой получают кольцевые заготовки с тре-буемым фасонным профилем.

В ходе работы было получено следующее: – аналитический обзор изготовления кольцевых деталей; – разработка технологического процесса получения кольцевых за-

готовок с использованием инновационных технологий; – разработка методики оценки технологичности кольцевых деталей; – разработка стратегии изготовления кольцевых деталей; – обоснование оптимального варианта изготовления кольцевых де-

талей.


80

УДК 658.5.011 Сотов А.В.

Научный руководитель: Проничев Н.Д., д.т.н., профессор

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ ПЕРЕВООРУЖЕНИИ

ПРОИЗВОДСТВА ГТД

Целью предлагаемой образовательной технологии является созда-ние электронной базы данных виртуального оборудования и алгоритма выбора оборудования из данной базы.

Задача поиска оборудования, оптимально удовлетворяющего всем производственным требованиям, является важнейшей при проектирова-нии технологических процессов. При этом необходимо определить ос-новные требования к технологическому оборудованию. Критерии выбора оборудования представлены в структурной схеме (см. рис. 1).

На первом этапе обрабатываемые детали классифицируются по типам необходимого оборудования (токарное, фрезерное и т. д.). Далее проводит-ся выбор оборудования по обрабатываемости металла, где изготавливаемые

детали разделяются по группам используемых материалов, после чего определяются требования к силовым и скоростным характе-ристикам оборудования.

Важным критерием являет-ся выбор оборудования по не-обходимым типоразмерам, т. е. требуется определить допусти-мую нагрузку на стол станка и увязанные с ней величины пе-ремещений по осям.

Далее проводится выбор оборудования по количеству уп-равляемых осей, необходимых для обработки конкретной заго-товки. Последним из основных классификационных признаков является расчёт станко-часа ра-боты оборудования.

Рис. 1. Структурная схема выбора оборудования


81

Разработанная структурная схема поиска оборудования позволяет осуществить формирование электронной базы. Для написания программы, позволяющей реализовать информационно-поисковую систему, была вы-брана среда Delphi. На рис. 2 изображено рабочее окно программы, где представлены все классификационные признаки.

Рис. 2. Рабочее окно: A – область классификационных признаков; B – область выбора признака;

С – область загрузки базы данных; D – кнопка расчёта станко-часа; E – кнопка загрузки базы данных; F – кнопка выхода из программы

Программы управления кнопками и областями позволяют выбирать классификационные признаки.

После выбора всех критериев отбора оборудования из базы данных нажатием клавиши «3D моделирование» вызываем виртуальную модель выбранного станка. Результат выбора представлен на рис. 3.

Далее нажатием клавиши «Расчёт станко-часа» считаем стоимость одного часа работы оборудования. Следует отметить, что станко-час оп-ределяет стоимость эксплуатации (затраты на оборудование) в конкрет-ных производственных условиях. Особенностью станко-часа является то, что он не зависит от продукции, которая выпускается на станке. Результат подсчета станко-часа представлен на рис. 4.

Рис. 3. 3D-моделирование Рис. 4. Расчёт станко-часа


82

УДК 67.02 Унжина М.А.


СОЗДАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛОЖЕСТКИХ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

В работе рассматривается процесс создания инновационных техно-логий изготовления маложестких сложно-профильных деталей. В авиа-строении большое внимание уделяется технологии изготовления ответ-ственных маложестких деталей (МЖД). Особенности геометрии и кон-структивных параметров МЖД создают серьезные технологические трудности в производстве. Можно выделить следующие причины этого:

а) значительный уровень остаточных напряжений, формируемых на стадии заготовительной технологии и термических операций;

б) влияние технологической наследственности на возможное экс-плуатационное коробление детали;

в) значительные упругие и пластические деформации на всех ста-диях механической обработки, сборки и эксплуатации деталей;

г) малая термоустойчивость деталей. Действие перечисленных факторов при изготовлении МЖД приво-

дит к значительным погрешностям формы и размеров деталей, поверх-ностным дефектам, снижению производительности из-за ограничения режимов резания и, в конечном счёте, к снижению эксплуатационной надежности МЖД.

Объектом исследования являются лопатки компрессора высокого давления газотурбинного двигателя (КВД ГТД). Лопатки КВД являются технологически очень сложными деталями, т. к. имеют малую жёст-кость, изготавливаются из труднообрабатываемых материалов.

В данной работе представлены результаты научных исследований и опытной отработки технологий изготовления деталей ГТД с использо-ванием современного оборудования.

Для эксперимента был выбран сплав ХН45МВТЮБР-ИД. При экспериментальной отработке новой технологии для лопаток

необходимо выполнить следующие виды работ. 1. Спроектировать и изготовить станочную оснастку для выполне-

ния операций, обеспечивающую быструю смену заготовок и точное их базирование в технологической системе.


83

2. Проанализировать первичные погрешности, которые могут ока-зывать значительное влияние на точность выполнения операционных размеров и разработать принципы наладки каждой операции.

3. Разработка программы проведения экспериментальных исследо-ваний.

4. Разработка технологии контроля геометрических элементов ло-патки и их шероховатости.

5. Проведение серии экспериментов и обработка их результатов с целью определения срока службы инструмента, характера его поведе-ния при износе и влияние на геометрические параметры, стабильность выдерживаемых размеров при смене инструмента и переналадке обору-дования.

В ходе работы было получено: 1. Аналитический обзор создания технологии маложёстких сложно-

профильных деталей. 2. Разработка инновационных технологий для создания лопаток КВД. 3. Разработка методики оценки технологичности деталей. 4. Разработаны предложения по формированию технологий кон-

троля, обеспечивающих необходимую точность, достоверность конт-роля при минимальных затратах.

5. Разработан комплект технологической производственной доку-ментации для изготовления лопаток ГТД.

6. Проведен анализ по выбору нового оборудования, и разработаны предложения по технологии изготовления лопаток на новом оборудовании.

7. Разработана информационная модель анализа деформаций лопа-ток под действием усилий резания.

8. Рассмотрены варианты и режимы обработки, при которых дости-гается повышенная точность.

9. Апробация изложенной теории моделирования динамического изменения структуры в исследованиях по изготовлению заготовок лопа-ток ГТД из титанового сплава методом высокоскоростной штамповки с нагревом ниже точки полиморфных превращений.

10. Созданы методики контроля геометрии элементов лопаток ГТД и разработки управляющих программы для контроля на КИМ всех эле-ментов лопаток по их 3D моделям.


84

УДК 621.452.3 Филинов Е.П.


ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В АВИАЦИОННОМ ДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ

В авиационном двигателестроении широкое применение компози-ционных материалов сулит большую экономию массы во всех узлах, начиная от ЗПК и заканчивая элементами опор. Уже разработанные композиционные материалы по удельной кратковременной и длитель-ной прочности превосходят сопоставимые с ними по областям приме-нения традиционные материалы. Например, введение в конструкцию серийно изготавливаемых двигателей ПС-90А узлов из ПКМ, прошед-ших полный объём сертификационных испытаний, позволило снизить массу двигателя на 60 кг и увеличить коммерческую нагрузку самолета ИЛ-96-300 на 240 кгс, коммерческую нагрузку самолета ТУ-204 на 120 кгс без изменения их взлетной массы.

Однако анализ показывает, что у композитов существуют и суще-ственные недостатки. В данной работе упор был сделан на разработку методики расчёта лопатки из композиционных материалов, сама мето-дика включает в себя следующие положения:

– импорт геометрии профилей лопатки из курсового проекта по теории и расчёту лопаточных машин, построенных в пакете КОМПАС в расчётный пакет ANSYS;

– в пакете ANSYS производится имитация закрепления, приложе-ние газовых сил и нагрузки от окружной скорости;

– задаётся конечно-элементная модель, подбираются материалы, удовлетворяющие необходимым коэффициентам упругости и пределам прочности, выносливости, текучести;

– производится расчёт напряженно-деформированного состояния, расчёт частот колебаний лопатки, для расчёта же коэффициентов запаса используются только осевые напряжения;

– в результате получаются поля перемещений и напряжений в ло-патке, резонансная диаграмма, запасы прочности.

На данный момент можно сделать вывод, что целесообразность применения керамических материалов в каждом конкретном случае должна быть оценена путем тщательного сопоставления с возможно-стями конкурирующих технологий.


85

УДК 621.9.08 Фофанова А.В.

Научный руководитель: Болотов М.А., к.т.н., ассистент

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ

Одним из способов повышения эффективности производства явля-ется использование внутриоперационного контроля с помощью воз-можностей современного оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ).

Целью научной работы является оценка возможности контроля геометрических параметров деталей газотурбинного двигателя (ГТД) с помощью аппаратно-программных возможностей оборудования с ЧПУ.

Внедрение средств измерения на современном оборудовании с ЧПУ позволяет реализовывать контроль геометрических параметров при изготовлении деталей, способствует существенному снижению ко-личества брака и повышению качества продукции.

Измерения на станках с ЧПУ производятся за счет стандартных циклов, которые наиболее точно позволяют определять параметры де-талей (линейно-угловые, погрешности формы и расположения), и при-менения контактных щупов, точность измерения которых достаточна для контроля многих ответственных технологических параметров дета-лей машиностроения.

При обработке высокоточных деталей могут быть предусмотрены технологические остановы, в которых осуществляется измерение гео-метрического параметра, и по результатам измерений принимается ре-шение о доработке той или иной поверхности, с которой связан геомет-рический параметр.

Исследование процесса измерения проводится методами математи-ческого моделирования с использованием теории вероятности и мате-матической статистики.

В результате исследований было выявлено, что погрешность изме-рения такой технологии может составлять от 0,01 до 0,05 мм, что созда-ет возможность ее использования для контроля большинства деталей ГТД. Однако производительность измерений с использованием кон-тактных систем оборудования с ЧПУ в два три раза хуже, чем с исполь-зованием координатно-измерительных машин.


86

УДК 621.431.75 Штрауб А.А., Зубанов В.М.

Научный руководитель: Батурин О.В. к.т.н., доцент

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЕТКИ И МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ

НА РЕЗУЛЬТАТЫ CFD-РАСЧЕТОВ ПЛОСКИХ РЕШЕТОК ЦИАМ

Современные CFD-методы ускоряют процесс разработки новых из-делий, позволяют указать на слабые стороны уже существующих. Вме-сте с тем, точность результатов, получаемых с помощью данных расчё-тов зависит от выбираемых для CFD-расчётов математических моделей турбулентности, а также от количества элементов при расчёте. Целью данной работы является исследование различных моделей турбулентно-сти и параметров сетки на результаты расчётов и их сопоставление с экспериментальными данными.

Для исследования влияния параметров сетки и моделей турбулент-ности на результаты CFD-расчётов, из атласа экспериментальных харак-теристик плоских решёток газовых турбин (ЦИАМ, В.Д. Венедиктов) бы-ли выбраны решетки 34 и 144. Таким образом, поставлены две задачи.

1. Исследование влияния параметров сетки и моделей турбулентно-сти при различных перепадах давления;

2. Исследование влияния параметров сетки и моделей турбулентно-сти при различных углах атаки.

На первом этапе первой части работы была построена грубая сетка: общее число элементов около 300 тысяч, размер элемента ближайшего к стенке 0,5 мм. Проведены расчёты характеристики решетки 34 на раз-личных режимах работы (λ = 0,7; λ = 0,8; λ = 0,89; λ = 1,0; λ = 1,09; λ = 1,2; λ = 1,3; λ = 1,4) с помощью различных моделей турбулентности: Spalart-Allmaras, Spalart-Allmaras (Extended Wall Function), k – epsilon (Extended Wall Function), k – epsilon (Low Re Yang-Shih), SST, SST (Extended Wall Function), v2f (Code Friendly), Baldwin-Lomax.

Видно, что на дозвуковых и глубоких сверхзвуковых режимах на-блюдается некоторая схожесть с результатами эксперимента, но ни одна из моделей турбулентности не даёт приемлемого результата на транс-звуковых течениях в области косого среза лопатки.

Смоделирована вторая сетка, отличающаяся от первой только раз-мером элемента, ближайшего к стенке, равным 1 мкм, обеспечивающего значение параметра у+ близкое к 1. Выбраны режимы: λ = 0,7; λ = 1,0;


87

λ = 1,2; λ = 1,3. Построен график расхода от перепада давлений, а также график коэффициента потерь по высоте лопатки для режимов λ = 0,9; λ = 1,25. Ни одна из моделей турбулентности на данной сетке не повто-ряет экспериментальные характеристики.

Рис. Распределение потерь

Во второй части работы была построена сетка с общим числом элементов около 300 тысяч, размером элемента, ближайшего к стенке, равна 5 мкм. Проведены расчёты характеристики решетки 144 на режи-ме работы λ = 0,98 с углами атаки β = 450, β = 400 и β = 350 с помощью различных моделей турбулентности: Spalart-Allmaras, Spalart-Allmaras (Extended Wall Function), k – epsilon (Extended Wall Function), k – epsilon (Low Re Yang-Shih), SST, SST (Extended Wall Function).

Из результатов было видно, что в целом модели турбулентности хорошо предсказывают течение на спинке лопатки, а на корытце с уве-личением угла атаки возрастает расхождение от экспериментальных данных.

Построена вторая сетка, отличающаяся размером ближайшего эле-мента к стенке, равным в данном случае 1 мкм, что соответствует пара-метру у+ близким к 1.

По проделанной работе можно сделать следующие выводы. 1. Расчётные характеристики, зависящие от перепадов давлений

(решётка 34) хорошо прогнозируют результаты, сходятся в пределах по-грешности на дозвуковых и глубоких сверхзвуковых течениях. Слабое место расчётных характеристик – область косого среза на трансзвуко-вых течениях.

2. Расчётные характеристики, зависящие от углов атаки (решётка 144) хорошо согласуются при малых углах атаки.


88

УДК 67.02 Яворович Е.В.


АНАЛИЗ ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ГИБКОГО МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Важнейшую роль в успешном решении задач, стоящих перед ма-шиностроителями, играет сегодня совершенствование заготовительных технологий, вытеснение ручного труда, повышение качества выпускае-мой продукции, снижение затрат. Первостепенное значение приобрета-ет степень оснащенности заготовительных цехов новым прогрессивным оборудованием и средствами механизации, на базе которых должен со-вершенствоваться и внедряться принципиально новые, прогрессивные технологические процессы.

Заготовительные процессы превращают сырье и материалы в ис-ходные заготовки. В машиностроении это, например, литейные, кузнеч-но-штамповочные цехи, листовой прокат.

Теория и практика технологии литейного производства на совре-менном этапе позволяет получать изделия с высокими эксплуатацион-ными свойствами. Отливки надёжно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструк-ций, металлургических агрегатов, морских судов, деталей бытового оборудования, художественных и ювелирных изделий.

Листовой прокат широко применяется в сферах промышленного машиностроения, авиации, бытового и автомобильного производства. Из стальных листов изготавливают корпуса для самолетов и подобных авиационных объектов, железнодорожные вагоны, заборы и другие кон-струкции, где необходим материал высокой прочности и легкого веса.

Кузнечно-штамповочное производство (КШП) предназначено для изготовления изделий, являющихся машиностроительными заготовка-ми, а в некоторых случаях – деталями. В подавляющем большинстве случаев изготовление изделий в КШП осуществляют пластическим де-формированием, что приводит к уменьшению отходов и трудозатрат на заключительных операциях обработки заготовок резанием, а также из-менению их внутреннего строения на микро- и макроуровнях, улучше-нию механических, а иногда и физических свойств материала загото-


89

вок в соответствии с требованиями эксплуатации. Оборудование, предназначенное для пластического деформирования в КШП, отлича-ется более высокой производительностью по сравнению с другими производствами. Благодаря этому большинство фасонных ответствен-ных деталей получают ковкой или штамповкой. Технологические про-цессы КШП применяют для изготовления самых разнообразных изде-лий из чёрных и цветных металлов и их сплавов, что предопределяет большое разнообразие технологических процессов и оборудования. Всё многообразие технологических процессов КШП может быть све-дено к следующим процессам: ковке, штамповке и специальным штамповочным процессам.

В статье рассматривается получение деталей с помощью метода обработки металлов давлением. Доля таких деталей в современной ма-шиностроительной конструкции порой превышает 70 %. В авиастрое-нии находят широкое применение детали и поковки типа диска или кольца, часто со сложной боковой поверхностью, а также некоторые осесимметричные сплошные и полые детали. Для изготовления указан-ных типов деталей при массовом производстве обычно используется формообразование в штампах по схеме «новая деталь – новый штамп». При многономенклатурном производстве это приведёт к значительным затратам и увеличению времени на освоение новой продукции. Переход на гибкие технологические процессы позволяет решать указанные про-блемы. Под гибкой производственной системой понимается совокуп-ность (или отдельная единица) технологического оборудования и сис-темы обеспечения его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при произ-водстве изделий произвольной номенклатуры в установленных преде-лах значений их характеристик.

В работе были поставлены и решены следующие задачи. • Экспериментальные исследования закономерностей формообра-

зования при управляемом поперечном выдавливании. • Разработка математических моделей формообразования и энерго-

силовых параметров при УПВ, разработка программного обеспечения. • Разработка технологических схем и технологической оснастки

для создания ГПМ пластического деформирования управляемым попе-речным выдавливанием (УПВ).

• Разработка технологического процесса формообразования деталей в условиях сверхпластичности, ориентированного на ГПМ.


90

УДК 621.6 Янюкина М.В.


ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗА

НА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЯХ

В настоящее время в газовой промышленности существует задача повышения эффективности использования газа на компрессорных стан-циях (КС). В этом направлении главную роль играют:

– повышение топливной эффективности газоперекачивающего ап-парата (ГПА), используемого на КС;

– увеличение использования вторичных энергопродуктов (ВЭП), образующихся при эксплуатации агрегатов на КС.

Но прежде чем приступить к выполнению двух этих пунктов, необ-ходимо принять меры по сокращению топливно-энергетических затрат в системе дальнего транспорта газа. Это можно осуществить следую-щими методами:

– увеличение удельного веса газопроводов большого диаметра с повышенным рабочим давлением;

– снижение гидравлического сопротивления и внутренней шерохо-ватости газопроводов;

– охлаждение компримируемого газа; – проектирование магистральных газопроводов оптимальной пропу-

скной способности и оптимизация режима их работы с помощью ЭВМ; – сокращение топливных затрат путем улучшения парка ГПА; – переход на параллельную работу агрегатов, использование смен-

ных проточных частей и входных направляющих аппаратов центробеж-ных нагнетателей;

– сокращение потерь газа из-за негерметичности при остановках и пусках ГПА, продувках пылеуловителей и ремонтных работах;

– уменьшение потерь газа путем проведения новых организацион-ных и технических мероприятий.

При увеличении диаметра газопроводов с 1020 мм до 1220-1420 мм, пропускная способность газа возрастает в 2,5-3 раза. Дальнейшее её уве-личение осуществляется за счёт повышения рабочего давления до 12 МПа. Такая динамика роста пропускной способности позволяет сни-зить удельные топливные затраты на транспорт газа почти на 10 %. Но


91

при увеличении диаметра значительно ухудшаются условия теплообмена транспортируемого газа с окружающей средой: во внешнюю среду по-ступает лишь 25-30 % тепла, получаемого при компримировании. Для устранения этих последствий необходимо охлаждать компримируемый газ. Внедрение систем охлаждения на КС позволяет увеличить пропуск-ную способность газопроводов до 5-8 %.

Использование установок, обеспечивающих сушку газа до темпера-туры точки росы от -20 до -25 °С, улучшение качества подготовки газа, введение периодической очистки – всё это позволяет повысить гидравли-ческую эффективность магистральных газопроводов до 95 %. А следова-тельно, увеличить пропускную способность на 3-5 %. Уменьшение шеро-ховатости труб также способствует её повышению.

Каждому типоразмеру труб соответствует оптимальная пропускная способность, удовлетворяющая минимуму удельных приведённых за-трат. При превышении индивидуальной пропускной способности про-исходит резкое увеличение энергозатрат на транспорт газа (на 40-50 %). Поддержание оптимальных режимов газопроводов, осуществляемое при помощи информационных технологий, позволит сэкономить до 5 % от суммарного расхода газа.

Топливные затраты на КС во многом зависят от характеристик ГПА: номинальное значение КПД компрессора, режим эксплуатации и т. п. С течением времени эти характеристики уже не соответствуют сво-им паспортным значениям, и именно их восстановление (путём осуще-ствления контроля за ГПА, развития ремонтной базы, обеспечения кон-диционности транспортируемого газа) позволяет сократить топливные затраты примерно на 1 млрд м3/год.

Сократить топливно-энергетические затраты также поможет пере-ход на параллельную работу ГПА: работает нечетное число машин, что упрощает обвязку КС, а следовательно, уменьшаются потери давления в ней. А внедрение сменной проточной части и входных направляющих аппаратов в модификациях центробежных нагнетателей позволяет сни-зить топливно-энергетические затраты в среднем на 4 %. Утечки вслед-ствие негерметичности газопроводов и запорных устройств и выпуска газа в атмосферу при проведении ремонтных работ и продувок состав-ляют 95 % общих потерь газа в магистральных газопроводах.

Планомерное и целенаправленное выполнение комплексной про-граммы повышения эффективности использования ресурсов природного газа позволит в значительной мере сократить топливно-энергетические затраты на транспорт газа и получить экономию топливных ресурсов.


92

CТУДЕНЧЕСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ЛУКАЧЁВСКИЕ ЧТЕНИЯ»

СБОРНИК ТРУДОВ

Компьютерная верстка – С.А. Немцев Корректор – А.С. Кузнецова

Подписано в печать 01.04.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать оперативная. Усл. печ. л. 6,0. Заказ №04001. Тираж 70 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Самбр принт»

443069, г. Самара, ул. Волгина, 127-А тел.: (846) 207-14-00


93


94

Студенческая научно-техническая конференция...

Documents

Transcript of Студенческая научно-техническая конференция...