Том 13, № 5-2 (2014): Специальный выпуск

Для улучшения трибологических свойств материалов находит применение лазерное микроструктурирование поверхности. Данное направление предполагает лазерное воздействие для создания на поверхности материала микроструктур с пространственной избирательностью физико-механических свойств, таких как: микротвёрдость, коэффициент трения и др. Перспективным является микроструктурирование поверхности торцовых газодинамических уплотнений из карбида кремния. Для повышения потенциала практического использования целесообразным является расширение функциональных возможностей лазерного микроструктурирования путём использования более распространённых лазерных установок с длительностью импульса в миллисекундном диапазоне. Разработан метод модификации поверхностей деталей из карбида кремния лазерным воздействием с целью улучшения их трибологических свойств. Изучена структура материала в зоне термического влияния после лазерного микроструктурирования. Оценивались морфологические изменения обработанной поверхности после импульсно-периодического лазерного воздействия. Установлено, что лазерное импульсно-периодическое воздействие приводит к образованию на полированной поверхности детали из карбида кремния углублений круглой или овальной формы. Наряду с формированием непериодического микрорельефа происходит модифицирование структуры поверхностного слоя детали. При лазерном воздействии на поверхности керамического материала имеет место разложение карбида кремния с образованием графита и твёрдого раствора углерода в кремнии. Предполагается выполнить исследования триботехнических свойств полученных структур.

Осуществлены вербальная и математическая постановки задачи многокритериального ранжирования вариантов конструкции пульсирующего детонационного двигателя. С использованием метода морфологического ящика составлена морфологическая таблица, на основе которой сгенерировано множество возможных вариантов конструкции пульсирующих детонационных двигателей. При составлении морфологической таблицы было учтено представление пульсирующих детонационных двигателей в виде следующих подсистем: детонационная камера; система подачи компонентов; система инициирования; система управления. В конечном итоге в качестве допустимых вариантов, которые и подвергались исследованию на огневом стенде, было отобрано двадцать вариантов. Предложена система критериев для оценки вариантов конструкции пульсирующих детонационных двигателей (удельная тяга, лобовая тяга, удельный расход, удельная масса, длина). Значения критериев определялись в ходе огневых испытаний; Раскрыты особенности решения задач при использовании методов «жёсткого» ранжирования, анализа иерархий, Борда. Сформулирован критерий построения истинных кортежей Парето. С использованием методов «жёсткого» ранжирования, анализа иерархий, Борда, критерия построения истинных кортежей Парето решены прикладные задачи выбора наилучшего варианта пульсирующего детонационного двигателя для трёх важных случаев: атмосфера учитывается, пульсирующий детонационный двигатель испытывает влияние лобового сопротивления; атмосфера учитывается, пульсирующий детонационный двигатель находится внутри летательного аппарата и не испытывает непосредственное влияние лобового сопротивления; влияние атмосферы не учитывается, анализу подлежат лишь пульсирующие детонационные двигатели без эжектора. Приведены наилучшие варианты конструкции пульсирующих детонационных двигателей для различных значений приоритетов критериев.

Представлено экспериментальное определение характеристик малоразмерного центробежного компрессора блока турбогенератор-компрессора опытной замкнутой газотурбинной установки, работающей на смесях инертных газов. Для определения характеристик была проведена модернизация стендового оборудования (замена датчиков давления и системы сбора и обработки сигналов), что позволило полностью контролировать проведение исследований. В работе представлено описание экспериментального стенда, использованного оборудования и методика исследований характеристик. Проведены тестовые запуски компрессора на воздухе с прикрытием дроссельной заслонки до начала помпажа. Представлено сравнение с расчётной точкой, пересчитанной на частоту вращения проведения экспериментов (30 000 об/мин). Оценено влияние физических свойств рабочего тела на характеристики центробежного компрессора при расчётной степени повышения давления (1,75). Представлены экспериментальные исследования на гелиексеноновой смеси (с молярной массой аргона) и аргоне при полностью открытой дроссельной заслонке и варьировании частот вращения от 23700 до 30300 оборотов в минуту. Проведённые исследования показали, что из-за большей вязкости гелиексеноновой смеси степень повышения давления и коэффициент полезного действия на аргоне несколько выше.

В статье приведены результаты экспериментального исследования преобразования промежуточных (жидкофазных и газифицированных) продуктов экзотермического жидкофазного взаимодействия самовоспламеняющихся компонентов топлива на начальной стадии горения. Для исследования рассматриваемой стадии преобразования промежуточных продуктов использован экспериментальный метод проточного реактора. В качестве систем смесеобразования компонентов топлива в проточном реакторе в процессе эксперимента применялись клиновые и центробежный смесительные элементы, которые обеспечивали взаимодействие компонентов в жидкой фазе и последующее течение жидкофазных промежуточных продуктов по стенке канала реактора, тем самым разделяя потоки жидкофазных и газифицированных промежуточных продуктов по поперечному сечению. В процессе эксперимента выявлено влияние следующих основных параметров на процессы преобразования промежуточных продуктов: эффективности жидкофазного смешения компонентов топлива, времени пребывания промежуточных продуктов в канале и давления газифицированных продуктов. Результаты исследования преобразования жидкофазных промежуточных продуктов на стадии горения подтверждают предположение о перспективности использования жидкофазных продуктов для внутреннего охлаждения стенок камеры ракетного двигателя малой тяги при эффективной организации их внутрикамерного рабочего процесса, поскольку по всей длине канала реактора температура жидкофазных продуктов, омывающей внутреннюю поверхность канала, изменяется незначительно. Экзотермические процессы жидкофазного взаимодействия компонентов топлива на этой стадии практически завершаются, и для последующей газификации жидкофазных промежуточных продуктов требуется теплоподвод энергии от ранее газифицированных промежуточных продуктов. В отличие от преобразования жидкофазных промежуточных продуктов процесс преобразования газифицированных промежуточных продуктов на начальной стадии горения происходит достаточно интенсивно. Значение температуры газифицированных промежуточных продуктов в зависимости от граничных условий в предпламенной зоне составляло 900…1100 К, а в выходном сечении канала реактора достигало 1400…2000 К.

В статье описаны особенности конструкции, механизма действия и процесса проектирования малорасходных подшипников скольжения. Проведённый анализ существующих методик проектирования подшипников скольжения показывает их несовершенство и невозможность адекватного применения для определения характеристик малорасходных подшипников скольжения. Работа таких подшипников осуществляется в условиях недостаточного снабжения маслом (масляная ванна отсутствует). Эффективность предлагаемой конструкции подшипника скольжения основывается на наличие упругого подвеса вкладышей, их расточки в радиус вала, что позволяет минимизировать время работы в режиме граничного трения и повысить ресурс подшипника. Описанная в работе гидродинамическая модель рабочего зазора позволяет определять характеристики течения смазки в подшипнике. В результате расчётных исследований была создана обобщённая методика проектирования подшипников нового типа, включающая в себя этапы выбора геометрии, 3D-моделирования конструкции, создания конечно-элементных моделей узких зазоров, расчёта характеристик слоя смазки, расчёта характеристик упругого подвеса вкладышей, полипараметрическую оптимизацию конструкции. Приведены результаты расчётных исследований характеристик перспективных подшипников (эпюра давлений в рабочем зазоре, зависимости характеристик течения смазки от угла поворота вкладышей и др.), даны рекомендации по оптимизации конструкции и выбору материалов.

Приведены материалы по дефекту в двухзонных камерах сгорания наземного применения, возникающего под действием высоких температур при работе в условиях эксплуатации. Представлена конструкция базовой горелки с лопаточным завихрителем. Требовалось усовершенствовать горелку с помощью минимальных изменений базовой конструкции. Разработаны мероприятия по устранению прогорания элементов гомогенных горелок для доработки имеющихся в заделе двухзонных камер сгорания. Выбраны шесть вариантов горелок, получаемых путём механической обработки втулки базовой горелки. В доработку входило изменение диаметра центрального отверстия, полное удаление втулки и постановка вместо неё щелевого насадка. Представлены результаты экспериментальных работ на стендовом оборудовании по определению пропускных способностей восьми вариантов горелок от давления воздуха за компрессором и по формированию поля давления за срезом горелок в виде графических зависимостей. В двух вариантах рассматривается использование горелки с перфорированной решёткой, отличающейся от базовой серийной горелки. Результаты исследования последних двух вариантов приводятся с целью поиска новых направлений в решении задачи повышения надёжности горелок. Выбран оптимальный способ доводки горелки по устойчивости к перегревам в поставленных начальных условиях.

Предлагается способ определения несинхронных колебаний рабочих колёс турбомашин, основанный на гипотезе механического генератора. Представление ступеней турбомашины в виде генератора механических колебаний открывает новые возможности для трактовки результатов испытаний с целью поузловой доводки ГТД и позволяет повысить надёжность диагностирования несинхронных колебаний и механизмов их возникновения и развития. Представление рабочего колеса турбомашины в виде составной части механического генератора позволило выявить, что несинхронные колебания рабочего колеса определяются конструктивными особенностями ступеней рабочего колеса и направляющего аппарата. В статье приводятся примеры спектров результатов тензометрирования колёс вентилятора, на основании которых проводится анализ несинхронных колебаний рабочих колёс турбомашин. Колебания рабочего колеса с наличием вперёд бегущей волны деформации с коэффициентом k1 и назад бегущей волны деформации с коэффициентом k2 рассматриваются как вид колебаний рабочего колеса в составе механического генератора, форма колебаний которого представлена алгебраической суммой дробных коэффициентов. Алгебраическая сумма этих коэффициентов даёт кратность частоты колебаний рабочего колеса в составе механического генератора к частоте вращения. Предлагаемая модель генератора механических колебаний может быть применена для анализа несинхронных колебаний при обработке стендовых испытаний рабочих колёс турбомашин.

Представлены результаты экспериментального исследования теплообмена в плоском канале, изготовленном методом лазерной стереолитографии. Исследуемая теплообменная поверхность представляет собой тонкую металлическую пластину, образующую одну из боковых стенок канала. Исследования проведены при различных критериях Био и в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Для определения коэффициентов теплоотдачи используется инфракрасная тепловая диагностика, в основу которой положен метод регулярного теплового режима первого рода. Металлическая пластина сначала нагревалась, затем через внутренний канал включалась продувка холодного воздуха.  Температура пластины измерялась с помощью инфракрасного термографа. При обработке результатов строились графики логарифма избыточной температуры от времени. Тангенс угла наклона данных кривых является темпом охлаждения пластины. Экспериментально определены границы применения данного метода от критерия Био. Полученные экспериментальные результаты хорошо совпадают с известной критериальной зависимостью Nu=0,018Re0,8. Разработанные экспериментальная установка и методика проведения нестационарного эксперимента позволяют определять коэффициенты теплоотдачи при вынужденном течении ограниченных потоков при реализации регулярного теплового режима первого рода.

Предложена конструкция комбинированного корпуса с намоткой из непропитанных арамидных нитей. Основным назначением намотки из непропитанных арамидных нитей является недопущение вылета лопатки за пределы конструкции двигателя. Намотка из непропитанных арамидных нитей – это новое направление в защитных системах самолётных газотурбинных двигателей. Такие системы являются весьма рентабельными (соотношение цена-качество) для решения, например, задачи локализации осколков двигателя при обрыве лопатки, так как нити обладают высокой удельной прочностью на единицу веса. Поэтому внедрение в конструкцию двигателя комбинированного корпуса является весьма перспективным решением. Принцип работы комбинированного корпуса заключается в следующем: лопатка компрессора обрывается и контактирует с соседними лопатками и корпусом, металлическая основа корпуса частично разрушается, фрагмент лопатки взаимодействует через металлическую часть корпуса с намотанными нитками, которые поглощают основную часть энергии удара и удерживают фрагмент лопатки за счёт вытягивания и трения друг о друга. Для предложенного варианта защиты корпуса от вылета лопатки газотурбинного двигателя разработана математическая модель на основе расчётного комплекса LS-DYNA. Созданная модель верифицирована по результатам натурных экспериментов и используется при расчёте на удержание корпусом оборвавшейся лопатки газотурбинного двигателя.

Представлены результаты поисковых исследований в области обработки проточных поверхностей систем охлаждения. Особую технологическую сложность представляют щелевые каналы, для обработки которых затруднительно использование традиционных средств металлообработки и контроля показателей качества поверхности. На основе анализа существующих методов обработки был предложен способ комбинированной обработки, обеспечивающий избирательное выравнивание микропрофиля поверхности в условиях ограниченного пространства и гарантирующий заданные эксплуатационные характеристики высоконапорных систем охлаждения. Сущность способа состоит в прохождении потока токопроводящей абразивонасыщенной жидкости низкой концентрации через обрабатываемые каналы. Обработка потоком жидкости с абразивом позволяет исправлять локальные погрешности формы, так как абразив активнее работает в местах уменьшения условного прохода и снимает материал именно в этих местах, нуждающихся в дополнительном снятии материала. Электрохимическое же воздействие интенсифицирует процесс механического снятия материала с микровыступов, сокращая время обработки. Описан механизм электрохимикоабразивной доводки щелевых каналов. Описана сущность работы технологической системы, позволяющей объединить комбинированный процесс с контролем расходных характеристик деталей с проточными каналами, что даёт возможность существенного сокращения сроков и трудоёмкости технологической доводки новой техники. Представлены результаты экспериментальной проверки технологических возможностей комбинированного процесса.

В данной статье представлены результаты анализа сравнительных огневых испытаний двухкомпонентного двигателя 11Д428А-22 с пластинчатым и сильфонным стабилизаторами расхода. Представленная в данной работе конструкция сильфонного стабилизатора расхода прямого действия 11Д428А.410.00, -01 отвечает всем современным требованиям и тенденциям развития такого вида объектов техники. В разрабатываемом стабилизаторе в качестве чувствительного элемента используется сильфон, который исключает какие-либо неконтролируемые перетечки рабочего тела и повышает надёжность путём исключения заклинивания или изменения сил трения, характерных для поршней и плунжеров. Применение пружины, растягивающей сильфон в исходном состоянии стабилизатора, расширяет диапазон регулирования и повышает точность поддержания заданного расхода во всем диапазоне регулирования. Стабилизатор расхода обеспечивает пусковой расход компонента топлива за счёт присоединительной массы, т. е. отрицательная роль для регулятора превращается в положительное свойство топливной магистрали и улучшается динамика работы двигателя. Новым в конструкции стабилизатора является совмещение функции регулятора и пускового устройства, а также расширение диапазона регулирования и точности регулирования за счёт применения пружины, растягивающей сильфон в исходном состоянии. Разрабатываемая конструкция проста в изготовлении и обеспечивает совпадение расчётных параметров регулятора с параметрами, полученными в результате испытаний.

В настоящее время в Российской Федерации отсутствует производство авиационных двигателей в классе мощностей 100-300 л.с. Одним из наиболее перспективных решений проблемы создания малоразмерных отечественных авиадвигателей является разработка двигателей на основе принципа модульности. Он заключается в разработке унифицированной силовой части и создании на базе неё многосекционных или многоцилиндровых двигателей для обеспечения необходимых мощностных характеристик. Наиболее просто данная задача решается при создании роторно-поршневых двигателей (РПД). В статье рассматривается современная методика расчёта односекционного роторно-поршневого двигателя-демонстратора, включающая постановку целевых технических показателей, расчёт основных геометрических параметров роторно-статорной группы, оценку рабочих характеристик двигателя с учётом газодинамики и механических потерь, моделирование рабочего процесса с учётом геометрических особенностей РПД и учётом теплоотдачи в стенки камеры сгорания. На основании проведенных расчётов выполняется трёхмерная модель двигателя, для которой проводятся прочностные и теплофизические расчёты. Расчёт геометрии проводится аналитическими методами. Рабочие характеристики определяются с помощью современных программных комплексов. На основе разработанной методики создан проект двигателя-демонстратора мощностью 100 л.с. В дальнейшем данную методику планируется применить при создании мощностного ряда авиационных роторно-поршневых двигателей мощностью 200 и 300 л.с. на основе принципа модульности.

Турбоприводы сверхмалой мощности (ТПСММ) находят применение в аэрокосмической отрасли и в других отраслях народного хозяйствав качестве источников энергии вспомогательных агрегатов и систем. В настоящее время актуальна задача повышения их эффективности. Одним из наиболее перспективных направлений по её повышению является оптимизация параметров турбоприводов уже на начальных этапах проектирования.В статье рассмотрены вопросы оптимального проектирования турбин сверхмалой мощности (ТСММ), являющихся основным узлом турбоприводов сверхмалой мощности. Освещены основные проблемы оптимизации ТСММ в системе турбопривода в рамках системного подхода к проектированию. Поставлена задача оптимизации как задача условной векторной структурно-параметрической оптимизации. Описаны методы и алгоритмы её решения, обоснованы критерии оценки эффективности ТПСММ, выбраны оптимизируемые параметры турбин осевого и центростремительного типов. В качестве критериев эффективности выбраны коэффициент полезного действия (КПД) турбины, её масса, удельный расход рабочего тела, стоимость эксплуатации турбопривода. Обоснована целесообразность выбора расчётного режима в процессе оптимизации режимных параметров по критериям оценки обобщённой по режимам эффективности ТПСММ. Приведены результаты исследований влияния неопределённости проектной информации на величины критериев.

Сформулирована задача структурно-параметрической оптимизации турбин сверхмалой мощности (ТСММ) в системе турбопривода (ТПСММ) на этапе начального проектирования. Описан метод и алгоритм выбора рациональных значений параметров и схемы ТСММ при его оптимизации. Задача оптимизации предполагает использование минимаксного принципа параметрической оптимальности при выборе рационального варианта турбины, который гарантирует надёжность выбираемого решения. Осуществлена оценка достоверности и эффективности разработанного метода путём его валидации с известным методом проектирования многорежимных ТПСММ и результатами вычислительного эксперимента. Приведены примеры повышения энергетической и массовой эффективности аэрокосмических турбоприводов с помощью разработанного метода. Валидация осуществлялась на примере начального проектирования многорежимного центростремительного турбопривода специального назначения. Было показано, что эффективность по массе турбопривода специального назначения можно повысить с минимальным проигрышем в КПД, если решать задачу двухкритериальной оптимизации. Её решение при проигрышах по КПД и массе в 1,8% и 11% относительно результатов однокритериальной оптимизации позволило повысить КПД исходного варианта турбопривода на 6,5% и снизить его массу на 25%. Сформирован облик турбины для турбопривода коммутирующего устройства. Применение осевой турбины вместо центростремительной при неблагоприятном варианте исходных данных позволило уменьшить удельный расход рабочего тела и удельную массу привода на 24 и 48% соответственно.