Том 17, № 4 (2018)

Представлен принцип автоматизированного построения модели рабочей лопатки вентилятора по данным измерений профиля в CAD-системе. При автоматическом построении модели используются результаты обмеров, полученные в ходе проведения контрольно-измерительных мероприятий. Рассмотрен процесс контроля профиля пера лопатки с использованием координатно-измерительной машины портального типа Coord3 Hera NT и измерительной головки с щупом Renishaw PH10T. Представлены основные пункты методики контрольно-измерительных мероприятий. В частности, рассмотрен принцип закрепления лопатки вентилятора. Представлен процесс измерения положения базовых поверхностей и точек, описан процесс измерения координат точек профиля, представлены геометрические параметры, полученные в ходе расчёта отклонений профиля. Создана измеренная 3D-модель лопатки вентилятора по данным контрольно-измерительных мероприятий с учётом дополнительных средств построения. Описан порядок работы для автоматизации процесса построения трёхмерной модели лопатки. Определено направление дальнейшей работы, связанное с проведением прочностных расчётов для создания «горячей» модели измеренной лопатки.

Трёхслойная панель с ферменным заполнителем – перспективный силовой элемент лёгких жёстких конструкций, при использовании которого в несущих конструкциях необходимо знать его механические и прочностные характеристики, зависящие от структуры и свойств типовой ячейки заполнителя. В настоящее время имеющихся результатов недостаточно для оценки прочности в связи со сложностью учёта всех особенностей нагружения заполнителя стержневой структуры в виде повторяющихся пирамидальных и тетраэдальных элементарных ячеек, наиболее распространённых при создании лёгких ферменных заполнителей. При исследовании прочностных свойств элементарной ячейки полагают, что разрушение ферменной структуры может наступить при превышении напряжения текучести в материале стержней или потери их устойчивости. Схема разрушения ферменной структуры в ячейке будет зависеть от комбинации значений эквивалентных напряжений, отнесённых к элементарной ячейке.  Критическое напряжение потери устойчивости стержней обычно меньше напряжения текучести. Поэтому при построении пространственных диаграмм ограничений эквивалентных напряжений можно наблюдать достаточно сложную картину изменения предельных значений в зависимости от азимутального угла в плоскости основания ячейки. Для исследования таких диаграмм проще всего ввести параметр, определяемый отношением критического напряжения потери устойчивости к величине напряжения текучести материала стержня. Тогда построенные диаграммы ограничений не будут зависеть от конкретных критических абсолютных значений напряжений, а только от их отношения, и характер диаграмм не будет зависеть от плотности заполнителя. Проектные параметры заполнителя определяются на основе построения других диаграмм  для  заданных (потребных) значений обобщённой жёсткости на сжатие, поперечный сдвиг, обобщённых критических напряжений на сжатие и поперечный сдвиг элементарной ячейки трёхслойной конструкции, которые зависят от относительной плотности ферменного заполнителя. Совокупность этих двух диаграмм ограничений даёт более полное представление о степени оптимальности проектных параметров ферменного заполнителя.

Исследуются методы оптимизации управления с целью поддержания основных характеристик газотурбинного двигателя при выработке им ресурса в процессе эксплуатации. Выполнен анализ изменения характеристик узлов двигателя в процессе эксплуатации. Для исследования влияния износа на параметры двигателя модифицирована математическая модель турбореактивного двухконтурного двигателя. Проводится оценка влияния износа узлов газотурбинного двигателя на его основные характеристики при традиционных способах управления. Предлагается метод управления двигателем с использованием рассчитываемой в бортовой математической модели величины тяги, позволяющий компенсировать негативное влияние ухудшения характеристик узлов при их износе. Приводятся результаты математического моделирования работы турбореактивного двухконтурного двигателя на установившихся и переходных режимах, подтверждающие эффективность предложенного метода управления: при износе двигателя сохраняется исходная величина тяги при расходовании имеющегося запаса по температуре газа в камере сгорания.

Рассматривается задача определения оптимального управления по быстродействию сближением в плоскости орбиты с использованием принципа максимума Л. С. Понтрягина. Движение рассматривается в орбитальной цилиндрической системе координат, уравнения которой линеаризованы. Выделены вековые и периодические составляющие относительного движения. Управление движением осуществляется реверсированием трансверсальной составляющей ускорения от тяги. Рассмотрена как общая постановка задачи сближения – совместное управление составляющими движения, так и частные постановки задач управления – управление отдельно вековыми и отдельно периодическими составляющими движения. Решение частных задач управления позволило определить структуру оптимальной программы управления. Коррекция вековых составляющих движения содержит не более двух участков постоянства знака ускорения от тяги. Коррекция периодических составляющих движения состоит из последовательного чередования разгонных и тормозных участков, количество которых на витке не более трёх.

Применение программ 3D-моделирования и, в частности, программ NX и ANSYS вывело на новый уровень проектирование и доводку камер сгорания в газотурбинных двигателях, так как позволяет улучшить характеристики (увеличение полноты сгорания, уменьшение радиальной и окружной неравномерности полной температуры газа) и также определить слабые места конструкции. Проведён анализ потока струй топлива из пальцевых распылителей форсажной камеры сгорания газотурбинного двигателя. Сформулирована задача оптимизации распределения топлива: варьируя диаметрами отверстий в топливных коллекторах, равномерно распределить топливо на выходе из жаровой трубы. Наложены ограничения на задачу оптимизации – уменьшена в пять раз подача топлива в периферийную зону на выходе из форсажной камеры. Эффект оптимизации проверен путём сравнения полноты сгорания топлива при базовом распределении топлива с оптимизированным вариантом распределения с использованием программ 3D-моделирования NX и ANSYS. В результате – повышение полноты сгорания на всех форсажных режимах работы двигателя.

Проведён анализ применения двигательных установок и ракетных двигателей малой тяги на различных физических принципах в составе космических аппаратов малого и сверхмалого классов. Рассмотрены параметры рациональных двигательных установок и ракетных двигателей малой тяги с позиций применения в составе космических аппаратов: на сжатом газе, на монотопливе, включая перспективные композиции на основе нитрата гидроксиламмония, на двухкомпонентном топливе; специальные установки и двигатели на закиси азота, аммиаке, газообразных водороде и кислороде; электроракетные системы на базе импульсных плазменных, ионных и стационарных плазменных двигателей. С учётом рассмотренных данных распределены двигательные установки и ракетные двигатели малой тяги по аппаратам различных классов. Высказаны предпочтения использования в маломассогабаритных космических аппаратах различных двигательных установок и двигателей.

Рассмотрена методика численного моделирования течения рабочей жидкости (воды) через гидравлический тракт смесителя, состоящего из двух соосно установленных малорасходных центробежных форсунок, в воздушную среду при атмосферном давлении. Методика основана на двухскоростной модели течения двухфазного потока жидкости и определении коэффициента сопротивления межфазного взаимодействия в процессе решения в зависимости от числа Рейнольдса. Число Рейнольдса рассчитывается по относительной скорости жидкостей, составляющих двухфазный поток. Исследуется изменение картины течения факела распыла смесителя в зависимости от двух характерных размеров, которые входят в число определяющих параметров при вычислении коэффициента сопротивления межфазного взаимодействия. Предложены алгоритмы вычисления коэффициента сопротивления межфазного взаимодействия. Показаны результаты моделирования перемешивания жидкости и разрушения плёночного течения воды в гидравлических трактах форсунок и за их пределами при различных значениях характерных размеров. Доказано, что подбором значений характерных размеров, на основе которых определяются коэффициенты сопротивления межфазного взаимодействия, можно добиться соответствия результатов расчёта по предлагаемой методике и гидравлических испытаний.

Проведено математическое моделирование ненапорного движения жидкости в полости наклонной трубы. Получена аналитическая зависимость скорости слива жидкости от радиуса обрабатываемой трубы и высоты уровня в наполняющей колонке. Предложен новый способ нанесения покрытия на внутреннюю поверхность трубы в условиях ограниченного пространства, в котором применяется управляемый слив наносимого материала с одновременным вращением её в процессе обработки. Толщина покрытия зависит от скорости движения материала по внутренней поверхности трубы. Представлены результаты расчёта. Приведены графики зависимости скорости движения материала в наклонной трубе при различных конструктивных параметрах, которые позволяют определить технологические режимы в процессе нанесения покрытия. Равномерность покрытия обеспечивается постоянной скоростью движения материала по всей длине трубы и в каждой точке внутренней поверхности – за счёт вращения. Проведён анализ полученных графиков и определено направление дальнейших исследований, связанных с учётом влияния угловой скорости вращения и вязкости жидкости. Использование предполагаемого метода позволяет повысить производительность труда и улучшить качество защитного покрытия.