Особенности течения жидкости в фильтроэлементах с различными принципами фильтрации Текст научной статьи по специальности «Физика»

'Въотпьк, ЯАТ£\Оу£\А

Уфа : УГАТУ. 2012______________________________^¿_____________________________Т. 16, №5(50). С. 109-114

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 62-67

Д. Е. Тук, А. А. Гарипов, В. А. Целищев

ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТАХ С РАЗЛИЧНЫМИ ПРИНЦИПАМИ ФИЛЬТРАЦИИ

Рассмотрены подходы к моделированию и результаты экспериментальных исследований течения рабочей жидкости фильтро-элементов с различными способами фильтрации. Фильтроэлемент; фильтр

Современные летательные аппараты представляют собой совокупность реализации очень сложных инженерных идей. Одной из важнейших систем жизнеобеспечения летательного аппарата является система фильтрации гидравлических систем самолета (топливных и масленых систем). Эксплуатация реактивных самолётов на больших высотах и с высокими скоростями полётов приводит к охлаждению и нагреву топлив, что интенсифицирует процессы загрязнения топлив. Расширение ресурсов авиационных двигателей, использование авиационных топлив с применением различных поверхностно-активных присадок увеличивает склонность топлив к образованию загрязнений и ухудшает эффективность их очистки. Проблема очистки топлива в топливной системе современных летательных аппаратов приобрела особую актуальность в связи с ужесточение требований безопасности. Порядка 80 % поломок в различного рода механизмах, где имеется пневмо- или гидрооборудование, зачастую связаны с частотой рабочего тела.

В статье представлены исследования различных фильтроэлементов (сеточных и объемных) номинальной тонкости фильтрации 5 мкм.

За базовую модель взят гидравлический фильтр поверхностного фильтрования, номинальной тонкостью фильтрации 5 мкм.

В табл. 1 приведены характеристики фильтра. По данным испытаний на базе стендов ФГУП УАП «Гидравлика» построены гидравлические характеристики фильтров и фильтро-элементов при температурах +25, -10, -40, -45 °С, представленные на рис. 1.

Контактная информация: ar-matur@mail.ru

Т аблица 1 Основные параметры и характеристики

рассматриваемого ( а р т -й §

Наименование параметра Значение

Номинальная тонкость фильтрации, мкм 5

Рабочая среда масло АМГ-10 ГОСТ 6794-75; жидкость 7-50С-3

Давление рабочей среды, МПа (кгс/см2): - номинальное - максимальное 0,5 (5) 1,6 (16)

Номинальный расход, л/мин 200

Рабочий диапазон расхода через фильтр, л/мин 40-220

Масса сухого фильтра, кг, не более 3,2

АР, МПа

і

• : (

1 I

1 к

♦ при 1 = 25 °С ■ при I= -10 °С А при і = - 40 *С * при | = ■ 45 °С -

► ■ ►

і I і і

0 20 40 60 80 100 120 НО 160 180 200 220 240 260

Рис. 1. Гидравлические характеристики фильтроэлемента при различных температурах рабочей жидкости

Для создания модели течения жидкости в фильтроэлементе использован пакет SolidWorks 2007. Пакет SolidWorks представляет собой систему трехмерного твердотельного параметрического проектирования механических узлов и конструкций. В качестве расчетного объекта взят 5-ти микронный фильтр.

Рис.2. модель: а - фильтровальной сетки 80/400; б - фильтровальной сетки160/1100; в -

фильтроэлемента вид сбоку; г - фильтроэлемента вид сверху

Данный фильтроэлемент состоит из 2-х каркасных сеток и заключенным между ними фильтрующим материалом (рис. 2). В рассматриваемом фильтре основным фильтрующим материалом в фильтроэлементе является сетка 160/1100, представляющая собой сетку саржевого плетения двухстороннюю. Её модель и геометрические характеристики представлены на рис. 2, б. В качестве каркасной применяется сетка 80/400, представленная на рис 2, а.

При моделировании были приняты следующее допущения:

• рабочая жидкость несжимаемая;

• процессы изотермические (т. е. m = const, р = const, v = const);

• течение стационарное;

• конструкция фильтровальной сетки абсолютно жесткая.

Твердотельная модель (гофрированный фильтроэлемент в виде цилиндра с тремя слоями фильтрующей сетки) достаточно сложна, в связи с чем полная конструкция фильтроэле-мента при проведении численного моделирования не рассматривается.

Моделирование течения жидкости в фильтроэлементе производилось в пакете COSMOS Flow Works .

На рис. 3 представлены результаты расчета в цветовых полях давления и скорости при Q = 40 л/мин.

Результаты расчета, кроме цветовых «заливок», можно представить в виде графиков распределения давления и скорости потока жидкости в фильтроэлементе по длине рабочей области, приведенных на рис. 4 и 5.

По результатам расчета упрощенной модели фильтроэлемента, состоящей из трех сеток, можно сделать следующие выводы: при течении поток рабочей жидкости трижды встречает на пути местные сопротивления, и, соответственно, трижды происходит падение давления за каждой из фильтровальных сеток. Перед первой сеткой наблюдается увеличение давления, которое падает сразу за сеткой, но тут же начинает возрастать, так как поток жидкости подходит к следующей сетке, аналогичная картина наблюдается и на третьей сетке. Чем больше значение расхода рабочей жидкости, тем больше значение перепада давления.

Рис. 4. Распределения давления по длине расчетной области

При прохождении жидкости через «ячейки в свету» фильтровальной сетки уменьшается площадь проходного сечения и, как следствие, увеличивается скорость движения жидкости на этих участках (эффект дросселирования жидкости). Наибольшее значение скорости наблюдается при прохождении жидкости через ячейки средней сетки (рис. 5). Это явление объясняется тем, что средняя сетка является основным фильтрующим материалом и имеет наименьшую площадь «ячейки в свету»

(~ 0,0069 мм2). Уменьшение скорости потока за проволокой происходит вследствие отрыва потока с поверхности проволоки.

Рис. 5. Распределения скорости по длине расчетной области

Ар, Па

500000

450000

400000

350000

300000

250000

200000

150000

100000

50000

♦

А

А

♦ А ♦ ¿Рэпе А Айгас

1

1 -4

О, I мин

Рис. 6. Г идравлическая характеристика фильтроэлемента

Картина распределения давления на поверхности фильтровальной сетки может служить фактором, определяющим прочностные характеристики фильтровальной сетки и всего фильт-роэлемента в целом (рис. 4). На рис. 6 приведены результаты численного моделирования и результаты натурных испытаний.

Значения относительных погрешностей 8, (т. е. отклонения расчетных данных от экспериментальных) не превышает 11 %. Погрешность моделирования обуславливается тем, что рассматривалась не сложная конструкция фильтро-элемента в виде гофрированного цилиндра, а его упрощенная модель.

В табл. 2 приведены характеристики 5-ти микронного фильтроэлемента с объемным принципом фильтрации.

Данный фильтр - это гидравлический фильтр тонкой очистки, предназначенный для очистки рабочей среды в линии слива гидравлической системы самолета.

Таблица 2

Основные параметры и характеристики рассматриваемого фильтра

Наименование параметра Значение

Номинальная тонкость фильтрации, мкм 5

Рабочая среда масло НГЖ-5У ТУ 38.401-58-57-93 жидкость Skydrol LD-4

Давление рабочей среды, МПа (кгс/см2): - номинальное - максимальное 3 (30)

Номинальный расход, л/мин 150

Рабочий диапазон расхода через фильтр, л/мин 3 0 1 7 О

Масса сухого фильтра, кг, не более 4,0

По данным испытаний были построены гидравлические характеристики фильтров и фильт-роэлементов при температурах +140, +70, +25,

0, -25, -40,°С, представленные на рис. 7. Данный материал подробно приведен авторами

в [4].

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить концепцию численного моделирования фильров объемной фильтрации, выбор алгоритмов расчета, начальные и граничные условия для решения математической модели фильтроэлемента.

Др,кгс/смЛ2

0 50 100 150 200 250 300

Q. л/мин

| —»-Т=-40°С -и-Т=-25°С —— Т= 0°С -*-Т=+25°С -*-Т=+70°С —^Т= +140°С |

Рис. 7. Г идравлические характеристики объемного фильтроэлемента при различных температурах

На рис. 8 представлены геометрические показатели 3D модели объемного фильтроэлемента. Компьютерное моделирование осуществлялось в пакете прикладных программ COSMOS Flow Works. В качестве расчетного материала фильтроэлемента объемного фильтрования выбран материал типа МФТО-5. В связи с тем, что структура фильтрующего материала сложна (рис. 9), при построении твердотельной модели было принято допущение, что ячейка имеет форму шестигранника. При построении трехмерной структуры фильтрующего материала модель будет иметь сотовый вид. Сам фильтрующий материал представляет собой 10 сотовых слоев, каждый из которых смещен друг относительно друга.

0,42 мм

Рис. 9. 3Б модель объемного фильтроэлемента

Результаты численного моделирования позволили визуализировать течение потоков рабочей жидкости по всему объему фильтрующего материала (рис. 10, а) и построить картину распределения давления при прохождении жидкостью фильтрующего материала (рис. 12, б).

Из результатов расчета распределения скоростей при прохождении жидкости фильтрую-

щего материала следует, что скорость течения жидкости увеличивается на 0,3 % при прохождении каждого из слоев фильтрующего материала. В объеме сетки поток жидкости развивает высокую скорость течения в сквозных каналах, а скорость за волокнами практически равна нулю.

V, м/с 40

Рис. 10. Результаты компьютерного моделирования в пакете COSMOS Flow Works: а - распределение скоростей при прохождении жидкости фильтрующего материала; б - распределение давления при прохождении жидкости фильтрующего материала; в - схема измерений

Картина распределения давления при прохождении жидкости фильтрующего материала показывает, что при прохождении жидкостью каждого из слоев фильтрующего материала давление понижается. Основная часть потерь давления происходит на первых слоя фильтрующего элемента, что свидетельствует о том, что они воспринимают большую часть нагрузки и подвержены большей деформации по сравнению с последующими слоями.

График скорости при прохождении рабочей жидкости фильтрующего материала приведен на рис. 11. На рис. 10, в приведена схема измерений параметров.

1

А

/' / / " 2

Г

г1 J 1 ] 1

1 0,0( 002 0,00 004 0,00 006 0,00 108 0,0 101 0,00 012 0,00

014

L,M

Рис. 11. График скорости потока при прохождении фильтрующего материала

Рис. 12. График давления при прохождении фильтрующего материала

Измерения давления проводились на двух участках, первый участок - не пересекает волокна фильтрующего материала, второй - проходит через материал, пересекая волокна. Из графика распределения скорости видно, что после увеличения скорости на первом слое участка 1 (рис. 12), далее происходят незначительные (не более 9 %) пульсации скорости на каждом последующем слое. На втором участке измерений поток рабочей жидкости упирается в пересечения волокон, где скорость равна нулю. После прохождения пересечения волокон скорость при выходе из турбулентной зоны возрастает. В дальнейшем при движении жидкости вдоль фильтроэлемента значение ее средней скорости от слоя к слою носит синусоидальный характер. Из картины и графиков распределению давления следует, что основной перепад давления идет на первых 5 слоях, на последующих слоях перепад давления уменьшается незначительно.

На рис. 13 приведены результаты численного моделирования и экспериментальных исследований фильтроэлемента с объемным принци-

а

б

в

пом фильтрации. Значения относительных погрешностей расчета составляет не более 7 %. Расхождение результатов можно объяснить тем фактором, что при моделировании не учитывался разброс размеров ячеек слоя фильтрующего материала в диапазоне от 3 до 10 мкм.

ДР, кгс/сшулг

О 50 100 150 200 250

Q, л/мин

Рис. 13. Г идравлическая характеристика фильтроэлемента

Таким образом можно утверждать, что предварительные исследования в области численного моделирования на базе пакета COSMOS Flow Works достаточно точно в первом приближении отражают процессы, происходящие в фильтрах с объемным принципом фильтрации.

О -|--------1--------1---------1---------1---------1-

О 50 100 150 200 250 300

Q. л/мин

♦ объемный фильтроэлемент 1 сеточный фильтроэлемент

Рис. 14. Г идравлическая характеристика фильтроэлементов

На рис. 14 представлено сравнение гидравлических характеристик объемного и поверхностного фильтроэлементов. Из графика видно, что перепад давления на объемном фильтроэле-

менте больше, чем на сетчатом. Это обусловлено сложной структурой плетения фильтрующего материала. В тоже время следует отметить, что фильтроэлементы с объемным принципом фильтрации являются весьма перспективными в гражданской авиации, так как они являются не-регенерируемы и не требуют дополнительных ресурсов для замены. С фильтроэлементами поверхностной фильтрации обратная ситуация: данные фильтры зарекомендовали себя как надежные и долговечные, но требуют дополнительных ресурсов на промывку фильтроэлемен-та после выработки ресурса фильтра.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белянин П. Н., Черненко Ж. С. Авиационные фильтры и очистители гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1964. 295 с.

2. Бродский Г. С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. М.: Горная Промышленность, 2003. 359 с

3. Рыбаков К. В. Фильтрация авиационных топлив. М.: Транспорт, 1977. 164 с.

4. Гарипов А. А., Тук Д. Е., Целищев В. А. Сравнение гидравлических характеристик фильтроэлементов современных летательных аппаратов // Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях, машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства: Сб. докл. IX науч.-техн. конф. ИнЭрт-2010, ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2010. С. 147-158.

ОБ АВТОРАХ

Тук Дмитрий Евгеньевич, гл. конструктор ФГУП УАП «Гидравлика». Дипл. инженер-механик по гид-равлическ. машинам (УГАТУ, 1987). Иссл. в обл. фильтрации жидкости.

Г арипов Артур Альбертович, асп. каф. прикл. гидромеханики (УГАТУ, 2009). Дипл. инженер техники и технологии по энергомашиностроению (УГАТУ, 2008) Иссл. в обл. моделирования фильтрации жидкости.

Целищев Владимир Алек-сандрович, зав., проф. той же каф. Дипл. инженер-механик по гидравли-ческ. машинам (УГАТУ, 1982). Д-р техн. наук по тепловым двигателям (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. систем автоматики ЛА и двигательных установок.