Том 14, № 3-2 (2015): Специальный выпуск

В статье приводится описание методики автоматизированного перепрофилирования лопаток осевого компрессора. Методика основана на совместном применении пакета вычислительной газовой динамики NUMECA и программы-оптимизатора IOSO. Основная идея методики заключается в том, что на каждой итерации оптимизатором формируется множество параметров, определяющих геометрию компрессора. На его основе в программе NUMECA AutoGrid создаются конечно-элементные модели компрессора. С их помощью рассчитываются параметры работы в одной или несколько точках на характеристике компрессора в программе NUMECA Fine/Turbo. Результаты расчёта передаются в оптимизатор, где полученные значения сравниваются с поставленными ограничениями. Затем формируется новый набор исходных данных. Цикл повторяется до достижения требуемых критериев работы компрессора. Разработанная методика была апробирована на семиступенчатом компрессоре высокого давления двигателя НК36-СТ. Приводятся описание созданной численной модели и результаты верификации на основе сопоставления расчётных данных с данными эксперимента. Созданная модель позволяет получать результаты, близкие к экспериментальным, и не требует больших вычислительных ресурсов. С помощью созданной модели была проведена оптимизация компрессора в двух постановках: 1) повышение КПД на режиме с частотой вращения ротора 100 % от максимальной за счёт изменения углов установки направляющих аппаратов трёх первых ступеней; 2) повышение КПД на двух режимах работы с частотой вращения ротора 80 и 100 % от максимальной за счёт изменения углов установки всех лопаточных венцов. Показано, что в первом случае возможно увеличение эффективности компрессора на 0,3 %. Во втором случае можно добиться увеличения КПД на 1,2 % при частоте вращения 80 % и на 0,5 % при частоте вращения 100 % только за счёт изменения углов установки всех лопаточных венцов.

Описаны основные методы моделирования гидродинамических процессов водородных шнекоцентробежных насосов в программном комплексе ANSYS CFD, в том числе с учётом переменной плотности жидкой среды. Сжимаемость жидкого водорода при изменении температуры и давления, несмотря на принимаемые в расчётах допущения о средней плотности, требует учёта переменной плотности для повышения точности моделирования рабочего процесса водородных насосов. Приведена методика проведения CFD-моделирования водородных насосов с применением специальных программных инструментов для построения геометрии и сеточных моделей межлопаточных каналов. Предложены три метода моделирования потоков жидкости с переменной плотностью в ANSYS CFD. Для реализации метода задания переменной плотности жидкого водорода в виде функциональной зависимости  получены регрессионные модели второго и четвёртого порядков в диапазоне давления от 0,09 до 30 МПа и температуры от 18 до 34K.

В статье приведены результаты  патентного поиска по теме гидродинамических демпферов и обзор научных статей по той же тематике. Дополнена существующая классификация гидродинамических демпферов. Проведённый анализ показал возрастающее количество работ, связанных с демпфированием и, в частности, с гидродинамическими демпферами, имеющими упругие кольца с выступами. Предложена методика расчёта таких демпферов. Проведён сравнительный анализ результатов расчёта, основанного на ранее известном аналитическом методе, и результатов, полученных в математическом эксперименте. Численный расчёт проведён в программной среде FLUENT. Сравнительный анализ осуществлён для динамических моделей двух типов каналов. Приведены данные по модели сложного канала, образованного упругим кольцом с дроссельными канавками. Движение, заданное в модели, имитирует поведение ротора с заранее установленным дисбалансом. 

В статье представлено перспективное радиально-торцовое контактное уплотнение повышенного ресурса. Высокая эффективность радиально-торцового уплотнения обеспечивается за счёт совместного применения принципов гидростатической и гидродинамической смазки. Гидродинамический эффект достигается за счёт нанесения структуры микроканавок на вращающейся втулке. Представлена зависимость значения гидродинамической силы в щели для фиксированной величины зазора от частоты вращения ротора. Изготовлен опытный образец и проведены испытания на динамическом стенде, предназначенном для реализации условий эксплуатации уплотнений опор в составе авиационного двигателя. Представлены результаты расчётных и экспериментальных исследований. Предложены пути повышения надёжности уплотнения за счёт улучшения механических свойств поверхностей материалов. Представлена схема развития функционального отказа уплотнительного узла. Указаны наиболее неблагоприятные режимы работы уплотнения и основные причины повышенного износа уплотнительных поверхностей. Предложены способы достижения высоких антифрикционных характеристик контактирующих поверхностей при помощи наноструктурированных беспористых хром-алмазных покрытий. Рассмотрены вопросы создания перспективных покрытий с положительным градиентом механических свойств по глубине на основе антифрикционных, антизадирных серебряно-алмазных покрытий и использования технологии диффузионного молекулярного армирования. Указана важность содержания в масле антифрикционных и антизадирных присадок.

В статье рассматриваются характеристики торцовых импульсных уплотнений, анализируется их рабочий процесс и оцениваются параметры работоспособности уплотнения. Приводится опыт исследования уплотнений ведущими предприятиями и институтами. Проведены экспериментальные исследования на воде с измерением утечек и момента трения при различных перепадах давления рабочей среды, частотах вращения ротора и усилиях пружин. Также проведены расчётные исследования для случая, когда в качестве рабочей среды уплотнения рассматривался воздух. Было произведено сравнение зависимостей момента трения от частоты вращения ротора для уплотнений с различным взаимным расположением структур обратного нагнетания (на одном кольце, на разных кольцах) на основе экспериментальных данных Штуттгартского университета. Проанализировано изменение величины давления в структуре обратного нагнетания для случаев: удалённых структур, совпадения структур, близкого расположения структур. Для оценки надёжности импульсного уплотнения проведена серия испытаний, в результате которых получены экспериментальные зависимости момента трения при различных частотах вращения, перепадах давления и усилиях пружин. Установлено, что оптимальное значение усилия пружин является необходимым условием, обеспечивающим требуемые характеристики уплотнения.

Повышение эффективности высокоскоростной обработки (ВСО) требует углублённого изучения физических явлений, сопровождающих процесс резания. Основными отличиями ВСО от традиционной механической обработки с физической точки зрения являются преобладание быстротекущих динамических процессов как в зоне резания, так и в системе «станок – приспособление – инструмент – изделие» и ярко выраженная нелинейность законов развития этих процессов. В этой связи исследование физических явлений, сопровождающих процесс ВСО, и установление их взаимосвязи с устойчивостью процесса резания и качеством обработанной поверхности является актуальной задачей. В статье рассмотрена методика определения параметров реологических свойств материала титанового сплава ВТ6, применяемого в авиационном двигателестроении, при торцевом фрезеровании. Расчёты проводились в САЕ-системе Deform с использованием FEM-модели.

Исследования параметров качества обработки металлов и их прогнозирование являются на сегодняшний день актуальной задачей. Ведётся разработка математических моделей, конечно-элементных моделей и эмпирических зависимостей. Все они требуют практической проверки. В статье представлены результаты экспериментальных исследований параметров качества и характеристик обработки шлифованием образцов из титанового сплава ВТ6, широко применяемого в авиационной промышленности. Обработка велась на плоскошлифовальном станке модели 3Д711ВФ11 кругом из карбида кремния зелёного на керамической связке. В ходе проведения работы производились замеры составляющих силы резания, шероховатости поверхности до и после обработки образцов, а также остаточных напряжений. Все измерения проводились на одних и тех же образцах, которые последовательно обрабатывались с измерением вышеуказанных параметров. Ввиду этого можно проследить все преобразования, проходящие в образцах. В качестве силоизмерительной установки использовался динамометр, изготовленный совместно с кафедрой технологий машиностроения Самарского государственного технического университета (СамГТУ). Результаты исследования могут послужить данными для проверки адекватности создаваемых математических моделей, дать представление о некоторых процессах, протекающих при обработке шлифованием плоских заготовок из титановых сплавов.

Данная работа посвящена созданию методики параметрических твёрдотельных моделей электродов-инструментов, основанных на результатах расчёта ранее созданного программного модуля. Разработанная методика облегчит решение задачи технологической подготовки операции электрохимической обработки (ЭХО) пера лопаток компрессора газотурбинного двигателя (ГТД). В этом случае решение могло бы осуществляться моделированием за несколько итераций и полностью исключало бы все работы на станке и механическую ручную доработку электродов. Методика основана на использовании математической модели процесса электрохимического формообразования пера лопатки ГТД на импульсном токе. При разработке модели принимались постоянными электропроводность и температура, выход по току зависел только от плотности тока, перенапряжение анода и катода определялись по поляризационным кривым, особенности динамики анодного процесса учитывались по плотности тока, параметры гидродинамического режима принимались оптимальными. В ходе создания методики был разработан программный модуль, который служит для реализации математической модели профилирования электродов-инструментов при ЭХО. Конечным результатом такого моделирования явились электронные модели профилей электродов, которые можно было бы использовать при составлении управляющих программ для обработки профилей электродов на станке с числовым программным управлением.

Пресс-форма представляет собою устройство, эксплуатируемое в условиях нагрузок в сотни тонн, циклических перепадов температуры на сотни градусов, испытывающее воздействие агрессивных веществ. В статье рассмотрена операция восстановления геометрии пресс-формы методом импульсной лазерной наплавки с подачей присадочной проволоки. Лазерная наплавка проводилась на технологической установке, включающей в себя импульсный твёрдотельный лазер на YAG:Nd с длиной волны излучения 1,06 мкм. Предложен алгоритм разработки оптимизации технологического процесса. Использование данной методики позволяет существенно уменьшить время технологической подготовки производства, а также долю экспериментальных исследований. На основании разработанной методики оптимизации подобраны параметры технологического процесса наплавки. Проведён макро- и микроанализ исследуемой поверхности. Выполнен замер микротвёрдости поперечного шлифа основного материала и наплавки для сравнения и оценки свойств. Данные значения твёрдости (HRC) были выбраны по шкале Роквелла, учитывая подходящие соотношения, полученные по Викерсу.

Собственные частоты трубопроводов зависят от жёсткости их соединения с оборудованием. Как правило, это штуцерные соединения. Существующие методы расчёта рассматривают эти опоры как абсолютно жёсткие или пренебрегают их жёсткостью, или учитывают только линейные жёсткости, что ведёт к значительным погрешностям (в исследуемой в настоящей работе системе до 12,7 %). Экспериментальное определение крутильной жёсткости штуцерных соединений затруднительно. Поскольку многие трубопроводы закрепляются не одиночно, а пучками, необходимо исследовать также влияние колебаний одного трубопровода на колебания другого. В настоящей работе предложен метод определения крутильной жёсткости, основанный на обобщении экспериментального и расчётного исследований. Экспериментально при помощи лазерного виброметра определяются собственные частоты пучка из двух трубопроводов. При расчётном исследовании с помощью пакета программ ANSYS подбираются значения крутильных жёсткостей вокруг всех трёх осей декартовой системы координат, при которых расчётные значения собственных частот трубопроводов близки к экспериментально полученным. Приведённые результаты расчётного исследования позволяют обсудить влияние крутильной жёсткости штуцерных опор на собственные частоты колебаний трубопроводов. Метод позволяет снизить погрешность расчёта собственных частот до 2,6 %. 

Рассмотрен дефект радиально-упорного подшипника ротора высокого давления, выраженный в его разрушении. Разрушение подшипника возможно из-за недостаточного объёма охлаждающей жидкости. Предложен способ подачи масла к подшипниковому узлу газотурбинного двигателя через маслозахватное кольцо. Представлена и описана конструкция маслозахватного кольца. Особенностью такого кольца является способность его подавать жидкость вопреки действию центробежных сил. Сформулированы недостатки такого способа подвода смазки, а также преимущества при использовании конструкции. Описан расчёт виртуальной конструкции и представлены входные данные и полученные результаты. Приведены конструкция стенда для испытания колец и параметры, контролируемые в ходе испытаний. Представлены результаты испытаний и их сопоставление с результатами гидравлического расчёта. Сделаны выводы о применении маслозахватных колец, подтверждающие эффективность использования такого способа подвода смазки.

Рассмотрены расчётные методы исследования остаточного напряжённо-деформированного состояния поверхностного слоя валов, упрочняемых дробеструйной обработкой и алмазным выглаживанием. Валы, изготавливаемые на авиационных производствах, в основном тонкостенные. Кроме того, к ним предъявляются высокие требования по точности геометрических размеров и формы. Обеспечение сопротивления усталости валов достигается применением упрочняющей обработки. Остаточные напряжения от упрочняющей обработки приводят к остаточным деформациям валов, часто превышающим технологические допуски. Предлагаемые в данной работе модели и подходы позволяют расчётным путём прогнозировать остаточное напряжённо-деформированное состояние поверхностного слоя после алмазного выглаживания, осуществлять расчётное прогнозирование технологических остаточных деформаций валов от полученных остаточных напряжений и корректировать режимы дробеструйного упрочнения и алмазного выглаживания на стадии разработки технологического процесса. Работы проводились на примере валов из материалов ВТ-22 и ЭП517-Ш (15Х12Н2МВФАБ-Ш). По результатам работ показано, что применение предварительного расчётного анализа режимов обработки позволяет обеспечить остаточные деформации наиболее ответственных участков валов – посадочных поверхностей под подшипники – в пределах технологических допусков, а также снизить растягивающие остаточные напряжения на поверхности вала после алмазного выглаживания.

Для определения влияния неоднородности воздушного потока на входе в двигатель на запас газодинамической устойчивости компрессора проводятся специальные испытания. Для этой цели в расходомерном коллекторе двигателя устанавливаются акустические  зонды для измерения пульсаций давления. Зонды устанавливаются по окружности коллектора под углом 90° относительно его оси. Учитывая малость амплитуд пульсаций скоростного напора в коллекторе, в акустическом зонде предусмотрена установка датчика давления дифференциального типа. В основной вход датчика направляется заторможенный пульсирующий поток воздуха, а в разгрузочную полость – демпфированная его составляющая. В статье на основе электродинамических аналогий приведена методика расчёта акустического RC-демпфера, позволяющего отсечь постоянную и низкочастотную составляющие пульсаций скоростного потока. Для подтверждения соответствия характеристик измерительных зондов требованиям технического задания проведены частотные испытания акустических зондов. Результаты исследований показывают, что разработанный акустический зонд позволяет измерять пульсации давления во входном расходомерном коллекторе газотурбинного двигателя с динамической погрешностью не более ±10 % в частотном диапазоне 2-300 Гц.