CC BY
60
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»
Рабочее тело Коэффициент преобразования Рабочее тело Коэффициент преобразования Рабочее тело Коэффициент преобразования
Я12 4,24 Я134а 4,13 Я600а (изобутан) 4,32
Я22 4,20 Я401Л 4,40 Я717 (аммиак) 4,49
Я502 3,79 Я404Л 3,36 Я718 (водяной пар) 4,26
Я142Ь 4,42 Я410Л 3,62
Из этого уравнения видно, что коэффициент преобразования тем больше, чем выше у рабочего тела температура кипения и ниже мольная теплоемкость и А/.
Для оценки влияния рабочего тела на коэффициент преобразования теплового насоса был произведен сравнительный расчет при А/ = 35 °С, пк = 0,95 для нескольких рабочих тел. Результаты занесены в таблицу. В таблице указаны хладагенты различных типов: озоноразрушающие хладагенты прошлого поколения, которые сейчас не применяются; хладагенты с большим потенциалом глобального потепления, от которых скоро придется отказаться; хладагенты будущего. Самые большие значения к у следующих рабочих тел: Я717 (4,49) и Я142Ь (4,42). На рис. 1 приведены зависимости к = ДА/). Видно, что при уменьшении А/ коэффициент преобразования может достигнуть 6, а при больших А/ он заметно снижается. То есть тепловой насос эффективней использовать при нагреве воды (воздуха) на небольшие температуры.
Величина теоретического коэффициента преобразования, подсчитываемая по обращенному циклу Карно
к = ТУТ. (5)
Поэтому, приближенно можно считать
к = пк1 = пТв1/Т, (6)
где п = к/к1 - поправочный коэффициент.
На рис. 2 приведена зависимость поправочного коэффициента п от А/ при /в2 = 10 °С, из которой видно, что при увеличении А/ величина п увеличивается. Но несмотря на то, что при А/ = 35...50 °С теоретический коэффициент преобразования меньше отличается от действительного, чем при А/ = 15.20 °С, он достаточно низок (к1 = 7,07 при А/ = 35 °С, к = 19,2 при А/ = 15 °С).
310 20 30 40 Д1. °С
Рис. 1. Зависимость коэффициента преобразования теплового насоса от А/ для водяного пара Я718, аммиака Я717 и фреона Я142Ь: /в2 = 10 °С, г|к = 0,8
п=к/к,
0.5
0.2
0,11---—
15 25 35 50 ДЦ°С
Рис. 2. Поправочный коэффициент п = к/к1 в зависимости от А/ при /в2 = 10 °С
Библиографическая ссылка
1. Шаталов И. К., Терехов Д. В., Фролов М. Ю. Влияние рабочего тела на коэффициент преобразования теплового насоса // Вестник МАХ. 2008. № 3. С. 28-29.
© Беломоина М. В., Измайлова Н. Г., 2010
УДК 669.713.7
Е. В. Ганиев, М. Ю. Вавин Научный руководитель - А. С. Виноградов Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва, Самара
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УПЛОТНЕНИЯ КАК ЭЛЕМЕНТА ОПОРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Объектом исследования являются изменение радиальных зазоров уплотнительных элементов опор компрессора и турбины двигателя НК-36СТ. Цель работы - получить изменение радиальных зазоров в уплотнительных элементах опор, и сравнить величины деформаций и расходов воздуха через уплотнительные элементы в зависимости от параметра охлаждающего воздуха. В процессе работы производится расчет
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
теплового состояния опор рассматриваемого двигателя, определяются параметры системы охлаждения и наддува масляной полости опоры турбины по известной геометрии каналов, рассчитывается изменение геометрии уплотнений в эксплуатации.
Современные учебные пособия по конструкциям авиационных ГТД не в состоянии достаточно полно отразить всю информацию, как по отдельным узлам, так и системам двигателей. В частности, по масляным системам авиационных ГТД и наземных ГТУ, основные особенности их проектирования и доводки в учебной литературе недостаточно освещены. Ведь масляная система оказывает весьма существенное влияние на надёжность, эффективность двигателя и его эксплуатационную технологичность.
В процессе работы двигателя радиальные зазоры в уплотнительных элементах не остаются постоянными: они меняются весьма существенно в зависимости от режима работы двигателя, а также наблюдается общая тенденция к увеличению зазора в процессе эксплуатации двигателя (это связано с износом элементов конструкции компрессоров и турбин).
Возникает вопрос об определение характера деформаций в уплотнительных элементах в процессе работы, для выявления недостатков конструкции на начальном этапе конструирования. Основное, на что обращается внимание при расчете это перемещения деталей уплотнений.
Опора находится под воздействие множества факторов. При проектировании опоры необходимо знать не только тепловые потоки в нее, но и распределение температуры, и напряженно деформированное состояние в любой момент работы двигателя. Это позволяют сделать современные конечно-элементные комплексы.
Для расчета деформаций в опоре необходимо сначала провести тепловой расчет распределения температур в элементах опоры. Для проведения этого расчета необходимы коэффициенты теплоотдачи в элементах опоры в начальный и конечный момент времени. Необходимо также учитывать, что элементы опоры изготовлены из разных материалов, имеющих различные физические свойства.
Для решения гидравлической задачи (определение параметров воздуха в системе внутреннего воздухо-снабжения) в настоящее время успешно используются теория графов с последующим проведением тепловых и прочностных расчетов, а также специализированные пакеты для совместного расчета гидравлических цепей и теплового состояния на основе МКЭ.
Исследователь должен обладать знанием обобщенных зависимостей для определения коэффициентов конвективной теплоотдачи для типовых элементарных каналов, которые часто встречаются в конструкции АД: круглый канал, плоский канал, кольцевой канал, уплотнение. Система внутреннего воздухо-снабжения современного авиационного двигателя имеет сложную разветвленную систему различных видов каналов. Выходные данные одного из каналов являются входными для другого. Для корректного решения задачи необходимо решать уравнения движения воздуха на всех участках совместно.
Для расчета теплового состояния и деформаций будем применять инженерный пакет CAD/CAE.
Для определения параметров воздуха в системе охлаждения опоры турбины ЭУ на установившихся режимах применим оригинальный расчетный комплекс, специально разработанный для решения подобных задач Исходными данными для расчета будут являться параметры рабочего тела по тракту ЭУ и геометрические характеристики конструкции.
Для определения геометрических параметров система внутреннего воздухоснабжения разбивается на геометрически однородные участки.
При расчете теплового состояния таких массивных узлов двигателя, как ротора каскадов или статор двигателя, как правило, используются 2-мерные осесим-метричные модели. Целесообразно упростить некоторые конструктивные элементы деталей (например, фаски, скругления и т. п.) без существенного влияния на массогабаритные характеристики деталей для снижения количества конечных элементов в модели.
Во время эксплуатации двигателя на работу уплотнения оказывают влияния не только температурные нагрузки, но и деформации стенок и других элементов опор.
При переходе двигателя с малого газа на номинальный режим контуры элементов уплотнений смещаются в радиальном направление на 1,5... 3 мм, а зазор изменяется на 20... 40 %. Также стоит добавить, что контуры уплотнений не всегда остаются плоскопараллельными.
Конечно, такие изменения негативно сказываются на работоспособности уплотнений, что приводит к ухудшению параметров двигателя.
Решением данной проблемы может быть конструктивное изменение опор, чтобы снизить влияния деформаций на работу уплотнений, либо менять параметры охлаждающего воздуха. Впрочем, однако, данные методы зачастую не приводят к желаемым результатам.
При изменении параметров охлаждающего воздуха радиальный зазор может варьироваться от 1 до 2,5 мм.
Поэтому одним из решений может быть применение принципиально новых типов уплотнений в конструкции, изучение которых во всем мире набирают обороты.
Библиографические ссылки
1. Анализ нарушений работоспособности масляных систем изделий ТВУ, М, Е, Р в эксплуатации и мероприятий по их устранению: КМЗ, технический отчет. № 001.10239. 1989.
2. Масляные системы авиационных двигателей : сб. техн. данных ЦИАМ. Отчет № 2796. 1975.
3. Анализ маслосистем современных отечественных двигателей и их эксплуатационных особенностей : ЛИИ. Отчет № 75128/Шс. 1975.
Секция «Моделирование физико-механических и тепловьх процессов в машинах и аппаратах»
4. Газотурбинная установка НК-36СТ. Техническое описание и инструкция по эксплуатации [Электронный ресурс]. - Электротекстовые граф. дан. (25,5 Мб) Ч. I. Техническое описание.
5. Газоперекачивающий агрегат на базе двигателя НК-36СТ. Техническое описание и инструкция
по эксплуатации [Электронный ресурс]. - Электротекстовые граф. дан. (3,6 Мб). Техническое описание.
© Ганиев Е. В., Вавин М. Ю., Виноградов А. С., 2010
УДК 669.713.7
В. С. Горошко, Е. В. Черненко Научный руководитель - А. А. Кишкин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
К ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ДИНАМИЧЕСКОГО ППС С ГРАДИЕНТНЫМ ПРОФИЛЕМ СКОРОСТИ
Проведен анализ степенного и градиентного профиля распределения скорости. Выявлены и обоснованы преимущества использования градиентного профиля распределения скорости. Предложена методика получения достоверной математической модели течения жидкости в пространственном пограничном слое на основе решения уравнения импульсов совместно с градиентным профилем распределения скорости и ламинарным законом трения.
Большая часть существующих на сегодняшний день методик расчета течений в проточных частях энергосиловых установок носит эмпирический характер и основана на обработке экспериментальных результатов, что не всегда обеспечивает требуемую точность расчета гидродинамических характеристик в широком диапазоне изменяемых параметров. Поэтому существует необходимость разработки теоретической методики расчета. Наличие достоверной методики расчета позволит существенно снизить материальные и временные затраты на эскизное проектирование, испытания и доводку современных энергосиловых установок.
Задачей данной работы является получение достоверной методики расчета параметров трехмерных течений на основе преобразований уравнения импульсов совместно с законом трения с заданным профилем распределения скорости.
На сегодняшний день существует несколько профилей для аппроксимации эпюры скорости в пограничном слое при течении жидкостей. В данной работе изначально предлагается использование степенного и градиентного профиля.
Оба профиля в основной части турбулентного ядра потока согласуются с опытными данными многих исследователей. Однако, для степенного профи-
ди
ля распределения скорости — ф 0 на толщине подУ
граничного слоя, что определяет наличие излома профиля на оси трубы. Между тем естественным условием на оси, подтверждаемым опытными данными, является I — I = 0 (излома нет).
ду
у =5=Я
Графически эпюры степенного и градиентного распределения скорости в пристеночном пограничном слое представлены на рисунке.
Следует отметить, что градиентный профиль не
имеет недостатка степенного профиля: имеет ди = 0
дЯ
в центре трубы, что определяет отсутствие излома профиля на оси трубы. Также градиентный профиль
имеет производную на неподвижной стенке:
д
—[1 - (1 - у Г ]= т(1 - у )т-1.
дУ
Вследствие очевидных преимуществ градиентного профиля дальнейшие преобразования осуществляем методом подстановки эпюры градиентного распределения скорости в уравнение импульсов и их решения совместно с законом трения.
и
1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
- \ 1
/V и=у т
^ 1
т=7
/ \
/ и =1-(1-У)ш
/
/
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Y
Рис. 1. Степенной и градиентный профили распределения скорости
Произведя преобразования для толщин пространственного пограничного слоя, вычисляем относительные характерные толщины:
