Том 13, № 5-1 (2014): Специальный выпуск

С учётом универсальности и высокой энергоёмкости механизма устойчивого роста трещин малоцикловой усталости (МЦУ), обеспечивающего длительный безопасный период роста этих трещин, предложена концепция аддитивности циклической долговечности. В соответствии с ней ресурс дисков авиадвигателей, для которых основным повреждающим фактором является МЦУ, определяется до предельного состояния, связанного с переходом трещины МЦУ в критической зоне диска к неустойчивому росту. При этом ресурс до первого капитального ремонта аддитивно складывается из ресурса до появления трещины МЦУ и периода её устойчивого роста (ресурса живучести); межремонтный ресурс определяется ресурсом живучести. Последний является также нижней оценкой ресурса диска на этапе проектирования. Для определения межремонтного ресурса предложено использовать диаграммы живучести, представляющие собой зависимость периода устойчивого роста трещины МЦУ в критической зоне диска от размера этой трещины. Разработаны методы построения диаграмм живучести при простых и сложных циклах нагружения, характерных для дисков авиадвигателей гражданской и манёвренной авиации. Приведены примеры применения разработанной концепции для определения ресурса дисков из деформируемых и гранулируемых сплавов.

Рассматривается одномассовая упругодемпферная модель колебательной системы, из которой могут быть получены более простые классические варианты с подвесками в виде реологических моделей Пойнтинга-Томсона, Кельвина, Максвелла, Гука. Отличие модели от классических вариантов в том, что составляющие её подвески опираются на разные основания, одно из которых может быть виброактивным. Модель имеет две разновидности, отличающиеся тем, какая часть подвески опирается на потенциально виброактивное основание – упругая или упруго-демпферная. Приводятся математические модели их динамики с учётом демпфирования нелинейного характера. Исследованы динамические свойства разновидности, в которой вибровозмущение с основания на защищаемую массу может передаваться через упругий элемент. Рассмотрены случаи силового и кинематического вибронагружения массы с использованием частотных функций по абсолютным и относительным параметрам. При силовом вибронагружении динамика рассматриваемой модели идентична динамике классической модели. В случае кинематического возмущения массы на амплитудно-частотной характеристике по относительному параметру проявляется новое качество – две инвариантные точки. Это обстоятельство использовано для оптимизации уровня демпфирования в системе с целью минимизации резонансной амплитуды колебаний. Диапазон низкочастотной виброизоляции не меньше, чем у консервативной колебательной системы. Размер его зависит от демпфирования и жёсткостей упругих элементов, поэтому выбор их величин связан с достижением компромисса между ограничением размаха резонансных колебаний и обеспечением требуемого качества низкочастотной виброизоляции.

Целью работы является разработка методов управления циклом двухтопливных и однотопливных автомобилей с двигателями, работающими как на бензине, так и на газовом топливе, а также физически и математически обоснованных алгоритмов для электронной системы управления. На основе проведённых натурных испытаний поршневого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием и разработанной методики расчёта эжектора с нестационарными физическими параметрами рабочих тел предлагается метод компенсации потерь мощности путём эжекции цикловой порции воздуха с помощью перепада давления на жиклёре газовой электромагнитной форсунки. На основе теоретического анализа и экспериментальных данных разработан алгоритм определения цикловой подачи газового топлива с учётом докритического или критического истечения газового топлива из сопла форсунки, изменения скорости звука, провала давления газового топлива в рампе форсунок в процессе цикловой подачи и напряжения питания на электромагнитной катушке газовой форсунки. Разработана методика определения угла опережения зажигания при переключении с бензина на газовое топливо для электронной системы управления двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, по которой выполнены расчёты корректирующих коэффициентов для сжиженного нефтяного газа и компримированного природного газа.

В работе приведены результаты исследования процесса алмазного выглаживания образца из жаропрочной деформируемой стали 15Х12Н2МВФАБ-Ш индентором из натурального алмаза ОСТ2 И77-5-75. Выглаживание образца осуществлялось после предшествующей токарной обработки. Процесс точения выполнялся твёрдосплавным режущим инструментом с пластиной марки Т15К6 при закреплении исследуемого образца в патроне с поджатием центром задней бабки. Выглаживание производилось при двух различных способах закрепления образца (в центрах и в трёхкулачковом патроне с поджатием центром задней бабки). Измерение параметров шероховатости выполнялось на автоматизированном профилографе-профилометре модели БВ-7669. Исследования показали возможность возникновения макрорельефа на выглаженной поверхности при обработке образца в центрах и его отсутствие при обработке образца в патроне с поджатием центром задней бабки. С целью получения эмпирических зависимостей, связывающих шероховатость поверхности с параметрами процесса алмазного выглаживания (силой прижатия, скоростью, подачей, величиной исходной шероховатости и радиусом алмазного выглаживающего инструмента) был осуществлён ряд однофакторных экспериментов, обработанных с использованием метода наименьших квадратов. Полученные результаты хорошо коррелируются с результатами экспериментов, полученных ранее при исследовании процесса алмазного выглаживания с использованием выглаживающего инструмента из синтетического алмаза АСБ-1.

Проведён анализ методов повышения надёжности и эффективности работы газоперекачивающих агрегатов. Рассматриваются существующие решения диагностического методологического и программного обеспечения компрессорных станций. Составлены перечни значимых для диагностики параметров агрегатов, характерных видов неисправностей и причин их возникновения. Предложена модель гибридной интеллектуальной системы диагностики неисправностей газоперекачивающих агрегатов, основанной на искусственной нейронной сети и нечётком выводе. Описан метод нечёткого логического вывода, позволяющий обрабатывать произвольное количество промежуточных переменных и транзитивных зависимостей. Применение метода позволяет учитывать неточности экспертных знаний не только при описании фактов предметной области, но и причинно-следственных связей между ними. Описана реализация предложенной модели и метода в системе принятия решений, позволяющей выявлять как наличие и характер неисправностей, так и возможные причины их возникновения. Предлагаемая система позволяет повысить точность и полноту диагностики газоперекачивающих агрегатов, что повысит безопасность труда для персонала компрессорных станций, своевременность ремонта и технического обслуживания.

Для обеспечения надёжности изделий из композиционных материалов (КМ) важной технической задачей является установление опасных типов дефектов, допустимых их величин и разработки способов их обнаружения. Применительно к проблеме контроля и выявления границ допустимости технологических дефектов деталей авиадвигателей из композиционных материалов представлен комплекс методов неразрушающего контроля (НК), а также проведены экспериментальные исследования по определению влияния дефекта волокна на механические характеристики полимерного композиционного материала. Совокупное применение различных методов НК необходимо для обнаружения присущих КМ многообразных типов технологических дефектов. Дефектоскопия является неотъемлемой частью технологии
переработки композиционных материалов в изделия. Испытаниями образцов с искусственно нанесёнными повреждениями волокон показано существенное их влияние на характеристики прочности при растяжении и модуль сдвига в плоскости слоя. Влияние возможных дефектов волокон на механические характеристики следует учитывать при проектировании изделий из КМ.

В КБхиммаш им. А.М.Исаева проведены исследования по созданию жидкостного ракетного двигатели малой тяги (ЖРДМТ) коррекции тягой 50 Н с дефлекторно-центробежной схемой смешения компонентов топлива азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин на внутренней стенке камеры сгорания. В разработанной в КБхиммаш им. А.М.Исаева дефлекторно-центробежной схеме смесеобразования окислитель через струйные форсунки попадает на конический дефлектор, преобразуясь на нём в первичную плёнку, стекающую с кромки дефлектора на внутреннюю стенку камеры сгорания, преобразуясь на ней во вторичную плёнку, которая течёт по стенке камеры до места встречи с плёнкой горючего от факела распыла центробежной форсунки, соосной с камерой сгорания. От места встречи плёнки окислителя и горючего продолжают течь по стенке камеры сгорания, одновременно проникая друг в друга и осуществляя жидкофазное смешение с образованием продуктов преобразования самовоспламеняющегося топлива. Таким образом, практически всё топливо попадает на внутреннюю стенку камеры сгорания, участвуя в её охлаждении и снятии значительной части теплового потока, направленного по стенке камеры сгорания от критического сечения в сторону форсуночной головки. Двигатель имеет самую высокую (в своём классе) геометрическую степень расширения сопла ( Fа =200) среди аналогов отечественного производства, при этом он сохраняет приемлемые габаритно-массовые характеристики. Камера сгорания в разработанном двигателе выполнена из ниобиевого сплава с защитным жаростойким покрытием - дисилицидом молибдена MoSi2, нанесённым на внутреннюю поверхность, а на наружной поверхности используется дисилицид ниобия NbSi2, образованный силицированием ниобиевого сплава. В процессе огневых испытаний разработанная в КБхиммаш струйно-центробежная схема организации рабочего процесса в камере сгорания подтвердила свою работоспособность в двигателе тягой 50 Н. Принятые конструкционные и технологические решения при создании двигателя тягой 50 Н, обеспечили высокие энергетические и энерго-массовые характеристики, а также устойчивую работу двигателя в широком диапазоне изменения давления компонентов топлива на входе в двигатель: при форсировании до 70,3 Н и дросселировании до 45,9 Н.

Проведена расчётно-экспериментальная работа по выбору оптимальных конструктивных параметров центробежной форсунки горючего для получения высоких энергетических характеристик жидкостного ракетного двигатели малой тяги (ЖРДМТ) с дефлекторно–центробежной схемой смешения тягой 400 Н. В дефлекторно–центробежной схеме смесеобразования установлена одна центробежная форсунка, соосная с камерой сгорания. С увеличением тяги двигателя увеличивается и диаметр камеры сгорания, следовательно, увеличивается длина свободного пролёта плёнки горючего в конусе распыла центробеж-
ной форсунки до встречи с внутренней стенкой камеры сгорания. Таким образом, необходимо определить параметры центробежной форсунки, которые обеспечивают устойчивость плёнки горючего (отсутствие распада плёнки) на этом пролёте до встречи со стенкой камеры сгорания. Для эффективной организации процесса жидкофазного смешения компонентов топлива на внутренней стенке камеры сгорания, близкого к оптимальному, был выполнен расчёт конструктивных параметров центробежной форсунки (диаметр тангенциальных отверстий, длина и диаметр камеры закручивания, длина и диаметр сопла форсунки), которые обеспечивали бы устойчивость плёнки горючего на всём свободном пролёте до внутренней стенки камеры сгорания, а также скорость, толщину плёнки и угол конуса распыливания. При оптимальном выборе параметров, плёнки окислителя и горючего взаимно проникают друг в друга на полную их толщину. При этом происходит более полное преобразование компонентов топлива, что в итоге обеспечивает более высокие энергетические характеристики двигателя. В статье представлены результаты огневых испытаний ЖРДМТ тягой 400 Н с различными конструктивными параметрами центробежной форсунки дефлекторно–центробежной схемы смесеобразования. Из результатов испытаний следует, что при снижении номинального перепада давления на центробежной форсунке до определённого предела происходит увеличение значения удельного импульса. При значительном снижении входного давления и, как следствие, значительном снижении перепада давления на центробежной форсунке возрастает амплитуда колебаний давления в камере сгорания двигателя. Проведённый анализ результатов испытаний позволил выбрать оптимальные конструктивные параметры центробежной форсунки горючего для штатного ЖРДМТ тягой 400 Н.

В работе проведена оценка интегральных и локальных параметров турбин высокого и низкого давлений перспективного авиационного двигателя методом трёхмерного численного моделирования в пакете ANSYS CFX. Использовалась высокодетализированная модель турбин высокого и низкого давлений с присоединёнными полостями и переходным каналом, состоящая из 577 млн. конечных элементов. Численный анализ проводился в стационарной и нестационарной постановках с использованием BSL и SST моделей турбулентности. Полученные расчётные данные верифицированы по результатам испытаний данных турбин, расхождения расчёта и эксперимента как локально, так и интегрально незначительны (локальные отклонения не более 5%). Результаты численного анализа подтверждают высокий уровень коэффициента полезного действия турбин. По результатам верификации выполнена оптимизация существующей конструкции, позволившая увеличить расчётный КПД ТВД на 0.4%. Данная модель взята за основу ряда работ по повышению ключевых параметров как отдельных деталей турбины, так и узла в целом.

Статья описывает метод вычисления негативных тепловых потоков в цилиндро-поршневой группе двигателя Стирлинга. Одними из наиболее значимых являются шатл-эффект и насосные потери. Во вступительной части статьи описывается физическая сторона исследуемых явлений. Представлены основные зависимости, рекомендованные исследователями для вычисления шатл-эффекта и насосных потерь. С целью расчёта указанных тепловых потерь разработана математическая модель. Модель основана на представлении явления как квазистационарного радиального переноса тепла посредством конвекции и лучеиспускания. Представлена система алгебраических дифференциальных уравнений теплообмена между единичными элементами массивов. Система основных уравнений решается численным методом интегрирования (разновидность метода Эйлера - метод предельной верхней релаксации). В программу расчёта встроены алгоритмы контроля точности производимых вычислений. Алгоритм использован для расчёта шатл-эффекта и насосных потерь для двигателя Стирлинга 1Р30/6, созданного в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете. Дополнительно создана методика нахождения коэффициента теплоотдачи в зазоре между колпаком поршня-вытеснителя и стенкой цилиндра. Выполнено исследование степени влияния конструктивных параметров двигателя на рассматриваемые явления. Построены диаграммы ранжирования, наглядно демонстрирующие полученные результаты.

В современных газотурбинных двигателях (ГТД) остро стоит задача снижения массы. Один из путей решения этой задачи – применение компрессоров сверх- и трансзвуковой конфигурации, что позволяет достичь более высокой степени повышения давления в каждой ступени, чем при использовании дозвуковых компрессоров, и, тем самым, уменьшить число ступеней, необходимых для обеспечения требуемого значения степени повышения давления. В подобных компрессорах поток тормозится за счёт системы скачков уплотнений в сверхзвуковой части, а в дозвуковой - за счёт поворота потока в диффузорных каналах, образованных рабочими и направляющими лопатками. На современном этапе развития двигателестроительной отрасли проектирование новых и модернизация имеющихся компрессоров неразрывно связаны с использованием методов вычислительной газовой динамики. При этом необходимость моделирования системы скачков уплотнения накладывает высокие требования к построению расчётных сеток, в частности, выбора метода передачи параметров между вращающимися доменами рабочих колёс и неподвижными доменами направляющих аппаратов. В статье на примере трёхступенчатого компрессора низкого давления показано, что использование различных методов осреднения и передачи параметров между доменами может внести существенные различия в рассчитанные характеристики компрессора. Проанализированы три метода передачи параметров между доменами, используемые в программном комплексе NUMECA/FineTurbo. Проведена валидация рассчитанных характеристик компрессора с экспериментальными данными при различных частотах вращения ротора. Полученные данные показали  адекватность применяемой численной модели рабочего процесса компрессора. На примере исследуемого компрессора показано, что учёт отбора воздуха приводит как к количественному, так и качественному изменению характеристики компрессора. Меняются степень повышения давления и запас газодинамической устойчивости, что может привести к несогласованной работе компрессора в составе двигателя. Сделан вывод о необходимости учёта моделирования отбора воздуха при расчёте сверхзвуковых компрессоров. Полученные результаты позволили расширить представление о рабочем процессе сверх- и трансзвуковых компрессоров и могут быть использованы при создании численных расчётных моделей компрессоров подобного типа.

В настоящее время в двигателях больших и малых тяг отечественных и зарубежных конструкций для уменьшения давления в баках применяются шнековые бустерные насосы (БН). Как и в любых гидравлических устройствах там возможно появление кавитации. Для определения кавитационных характеристик шнековых и шнекоцентробежных насосов получен ряд эмпирических формул, которые не до конца учитывают все геометрические особенности шнеков переменного шага. В современных программах численного трёхмерного моделирования применяются различные модели кавитации, используя которые можно получить кавитационные свойства любой геометрии, однако методик расчётов нет. В данной статье представлены результаты моделирования течения в бустерном насосе и их сравнение с экспериментом. Моделирование проводилось с использованием ANSYS CFX. Явление кавитации моделировалось в стационарной постановке с учётом кавитационной модели Релея-Плессета. Геометрическая модель состояла из оседиагонального колеса и лопаточного спрямляющего аппарата. Моделирование проводилось в модели как с зазором, бандажом и шероховатостью, так и без них. На основе этого разработана методика расчёта срывной кавитационной кривой при помощи ANSYS CFX.

В статье исследуется возможность применения упругих пористых элементов, изготовленных из материала «металлическая резина» (МР), в качестве уплотнений роторных систем. Технология изготовления таких элементов разработана для систем механического демпфирования колебаний, где они широко используются. Проведён сравнительный анализ расходных характеристик лабиринтных, сотовых, щёточных уплотнений и уплотнений из предлагаемых пористых элементов. Сравнение показало, что уплотнения с применением материала МР имеют расходные характеристики лучше, чем у лабиринтных и сотовых уплотнений, но несколько хуже, чем у щёточных конструкций. Поэтому применение пористого материала МР перспективно для изготовления деталей уплотнений, герметизирующих газовые или масляные полости роторов. Уплотнения из материала МР могут применяться в конструкции изделий аэрокосмической техники, где реализуются высокие скорости и вибрация и где имеются осевые перемещения вала. Для исследований уплотнений с применением элементов из материала МР спроектирована установка, имитирующая условия эксплуатации роторных уплотнений.

В настоящее время прилагаются значительные усилия для создания авиационного биотоплива из микроводорослей, абсолютно взаимозаменяемого с традиционным видами авиационных топлив. Эти действия осуществляются, чтобы не использовать для этих целей продукты питания. Синтетическое биотопливо из биомассы с высоким содержание жировых компонентов изготавливается по следующей технологической цепочке: выращивание культур, сбор урожая, извлечение сырьевой базы, переработка её в топливо. Это исследование посвящено технологическому циклу производства топлива, полученного культивированием водорослей Auxenochlorella protothecoides в пресной воде и сосредоточено на культивировании культуры в открытых водоёмах, а также на последовательности действий в ходе сбора сырья, таких как: предварительное обогащение, электропорация и обезвоживание. Топливно-энергетический баланс и воздействие на окружающую среду анализируется при помощи программного пакета GaBi и базы данных. Главная цель работы заключается в выявлении факторов и процессов, оказывающих наибольшее влияние как на экологическую составляющую, так и на энергетический баланс. Так для производства одного килограмма обезвоженной биомассы из водорослей с высоким содержанием жировых компонентов (кг сухого вещества) требуется затратить 118,56 МДж энергии. Потребление энергии распределяется следующим образом: 71,7% расходуется в процессе роста микроорганизмов к колбах Эрленмейера и в барботирующих ферментёрах, 15,5% используется для выращивания в каналах водоёма и 12,8% потребляется для предварительного обогащения, электропорации и обезвоживания. Преобразуя величины в соотношение суммарной энергии (NER), получили значение 0,266, а в CO2 эквиваленте получили 6,45 кг CO2 на кг сухого вещества. Полученные значения хуже аналогичных зависимостей для керосина (NER = 0,867; 0,384 кг CO2 на кг керосина). Производство может быть оптимизировано благодаря использованию требуемой энергии из возобновляемых источников, таких, например, как гидроэлектростанции (NER = 0,545; 1,27 кг CO2 на кг сухого вещества). В этом случае суммарная величина энергии на входе должна быть скорректирована при использовании возобновляемых источников, приводящих NER к 3,04. Тем не менее, оценка CO2 эквивалента на килограмм сухого вещества остаётся по-прежнему неблагоприятно высокой в сравнении с керосином. Основной причиной столь существенного различия является использование чистой лабораторной воды и удобрений.