CC BY
47
В качестве примера приведем два случая переходных процессов ДЛЯ ЖРДУ, являющейся прототипом РД-214, под действием возмущающих сигналов — изменения давление в баке унитарного топлива Д рп т (рис. 2а) и изменения давления в баке горючего (изменения давления на входе в насос горючего) Арг (рис. 26), полагая остальные входные величины равными нулю и отсутствие регулятора. Можно проследить изменение выходной величины Др„ во времени, наблюдая характер переходною процесса, установившееся значение выходной величины и временные показа гели качества переходного процесса. Хорошо видно, что возмущения в баке унитарного топлива более существенно сказываются на отклонение выходной величины. Информация о переходных процессах может служить для постановки задачи разработки замкнутой СЛР, например, компенсирующей (устраняющей) переходные процессы, вызванные возмущениями.
Библиографический список
1. Основы теории автоматического управления ракетных двигательных установок / Л, И. Бабкин [и др.]. — М.: Машиностроение, 1986. — 456 с.
2 Яковлев, ДБ. Уравнение динамики двигательной установки / Л.Б.Яковлев. - Омск: Изд-воОмГТУ, 1999. — R8c.
3. Яковлев, А.Б. Методика расчета динамической характерно тики ЖРДУ / Л. Б. Яковлев, Д А. Дундуков, А. А. Личман // Динамика систем, механизмов и машин : матер. VII Междунар. науч.-техн. конф, — Омск, 2009. — Кн. 2. — С. 206—211.
ЯКОВЛЕВ Алексей Борисович, кандидат технических наук, доцен т кафедры «Авиа- и ракетостроение». Адрес для переписки: e-mail: yakovlev@omgtu.ru
Статья поступила в редакцию 21.12.2009 г.
© А. Б. Яковлев
УДК 533.6.011.5: 621.565.83 Д. С. НОСКОВ
Д. В. ЛОВЦОВ А. В. ХАИТ
Уральский государственный технический университет — УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ГАЗОВОГО ПОТОКА В ЗАКРУЧИВАЮЩЕМ АППАРАТЕ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ
Проведено математическое моделирование газового потока в закручивающем аппарате вихревой трубы. С целью увеличения энергетических показателей вихревой трубы предложена новая конструкция закручивающего аппарата.
Ключевые слова: вихревая труба, закручивающий аппарат, свободный вихрь.
Во многих современных технических системах встает необходимость применения холодильной техники. Стандартным решением в этой области являются парокомпрессионные холодильные машины. Работа таких аппаратов основывается на теплоэнергетических циклах хладагччггов. Типичными представителями данной группы веществ являются фреон и аммиак, обладающие повышенной текучестью. В связи с этим производители холодильных машин устанавливаю т нормативные значения утечек хладагентов, обычно они составляют около 6 - 8 % в год. В 1980 г. с выяснением того, что отдельные вещества разрушают озоновые слои и влияют на повышение температуры атмосферы земного шара, хладагенты стали объектами ограниченного применения [ 1 ].
В качестве одной из возможных альтернатив парокомпрессионным машинам можно рассматривать холодильные установки на базе вихревой трубы. Вихревая труба представляет собой цилиндрическую или коническую трубу, к одному краю которой тан-
генциально подводится сжатый воздух (рис. 1), вследствие чего в камере энергоразделения формируется свободный вихрь. В образовавшемся вихревом потоке газа возникает эффект энергоразделения Ранка-Хилша, в результате которого центральная часть вихря охлаждается, а периферийная нагревается |2).
Конструкция вихревой трубы является простой, лишенной подвижных частей. Для функционирования вихревой трубы необходимо обеспечить лишь подвод сжатого газа. Необходимое входное давление газа может колебаться от 0,05 до десятков МПа.
Использование вихревых труб позволяет полностью уйти от применения каких-либо хладагентов, а также придает новые качества технологическим системам, такие как быстродействие, мобильность, компактность, предельная простота изготовления и эксплуатации.
В настоящее время одним из немногих недостатков вихревой трубы является ее относительно низкий КПД, не позволяющий в достаточной степени
А-Л
Рис. 1. Принципиальная схема вихревой трубы I — сопловой ввод; 2 — диффузор холодного конца; 3 — вихревая камера энергоразделения; 4 — дроссель для регулирования расхода горячего газа
конкурировать с пароком пресс ионными машинами. Но следует заметить, что процессы, происходящие в камере энергоразделения, на сегодняшний день являются малоизученными. Существует достаточно большое количество теорий, посвященных процессу формирования вихря и процессу энергообмена, возникающею в вихревых трубах. Однако ни одна из них не является законченной и содержит большое количество внутренних противоречий (3].
На интенсивность энергообмена плияютдве важнейшие характеристики вихревого потока: его степень турбулизации, которая определяется скоростями течения газа и размерами самой вихропой трубы, и значение поперечного градиента давления вблизи зоны энергооОмена. На оба этих параметра существенно влияетспособ создания вихря в камере энергообмена.
Закрученные течения формируют с помощью одного из трех методов: тангенциального подвода газа; использования механических закручивающих устройств (направляющих закручивающих лопаток, винтов, шнеков и т. п.); интенсивного вращения корпусных элементов каналов (вращающихся труб).
Б данной статье представлены результаты математического моделирования газового потока в тангенциальном сопловом вводе с шестью криволинейными входными каналами прямоугольной формы (рис. 1).
В основе поставленной математической модели течения сжимаемой вязкой жидкое™ лежат нелиней-
ные уравнения Навье-Стокса, усредненные по методу Рейнольдса. В качестве модели турбулентности была выбрана стандартная к-е.
На рис. 2 представлено расчетное иоле скоростей в среднем сечении соплового ввода. Можно заметить, что после выхода потока газа из сужающегося канала, происходит переход скорости течения в сверхзвуковую область. Но при подходе к очередному сопловому каналу, сверхзвуковой поток газа встречается с дозвуковым, вследствие чего происходит образование скачков уплотнения. Данные скачки уплотнения приводят к увеличению потерь энергии газового потока, а также вносят дополнительную неравномерность в структуру течения В результате возможно ухудшение энергетических показателей вихревой трубы в целом.
Для оценки эффективности закручивающего аппарата будем пользоваться расчетной величиной изоэнтропиого КПД, который пыражается отношением разностей энтальпий в идеальном и реальном процессе течения газа.
где і2 — энтальпии газа на входе и выходе из соплового ввода в реальном процессе течения; і", і“ — энтальпии газа в начале и в конце идеального адиабатического расширения газа.
Рис. 2. Поле скоростей в греднем сечении соплового ввода 1 — сужающийся сопловой канал;
2 — цилиндрическая камера энергоразделения;
3 — дозвуковая область течения;
4 — сверхзвуковая область течения;
5 — скачок уплотнения; 6 — направляющая лопатка
Рис. 3. Сопловой ввод с эффектом самозакруткн потока: 1 — направляющая лопатка;
2 — цилиндрическая проточная часть;
3 — проточная часть в виде сопла Лаваля;
4 — направление движения газа
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 8ЕСТНИК № 1 (*7) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТМИК N* 1 <*7> 2010
Риг. 4. Поле скоростей в среднем сечении закручивающего аппарата при дозвуковом режиме течения:
I — направляющая лопатка;
2 — область дозвуковых скоростей;
3 — область околозвуковых скоростей;
•! — цилиндрические поверхности равных скоростей
В соответствии с приведенной зависимостью (1) расчетный изоэнтропный КПД рассматриваемого соплового ввода (рис. 2) составит 82,6 %.
Для увеличения расчетного изоэнтроиного КПД необходимо прежде всего избавится от возникающих скачков уплотнения. Рассмафим конструкцию соплового ввода, изображенную на рис. 3, сечение А-А-1. Принцип действия данного закручивающего аппарата заключается в следующем. Сжатый воздух проходит через ряд сопловых каналов, которые задают ему вращательную составляющую скорости. Однако, в отличие от предыдущей конструкции, скорость газового потока на выходе из сопловых каналов оказывается дозвуковой.
В результате происходит образование свободного пихря. К одному из важнейших свойств такого рода течения можно отнести увеличение тангенциальной составляющей скорости потока при движение вращающегося газа or периферии к цен тру обратно пропорционально радиусу вращения. Радиальная скорость при гггом будет определяться только площадью проходного сечения и массовым расходом. Таким образом, переход течения газа в сперхзвуковую область должен произойти равномерно уже в свободном вихре, что исключает образование скачков уплотнения.
11а рис. 4 представлено расчетное ноле скоростей в закручивающем аппарате рассмотренного типа для полностью дозвукового течения. Отчетливо видно равномерное увеличение скорости потока при движении газа от периферии к центру.
Но при увеличении скорости течения воздуха, сечение перехода скоростей в сперхзвуковую область не устанавливается, что приводит к возникновению нестационарного, иул1>сирующеготечения (рис. 5). Расчетный изоэнтропный КПДдля рассматриваемого соплового ввода равен 80,8 %, что ниже но сравнению
1 с сопловым вводом, изображенным па рис. 2.
2 Известно, что скорость звука устанавливается о в наиболее узком сечении проточной части. На рис. 3 | в сечении А-Л-2 представлена конструкция соплового
3 ввода с переменной площадью проходного сечения. _ _ Расчетное поло скоростей для данного закручива-Г£Ш ющего аппарата представлено на рис. 6. Видно, что
Рис. 5. Поле скоростей и среднем сечении закручивающего аппарата при сверхзвуковом режиме течения:
1 — область сверхзвуковых скоростей;
2 — область околозвуковых скоростей
Рис. б. Поле скоростей в среднем сечении закручивающего аппарата с переменной площадью проходного сечения при сверхзвуковом режиме течения:
1 — область дозвуковых скоростей;
2 — область сверхзвуковых скоростей;
3 — поверхность перехода на сверхзвуковою скорость
переход через скорость звука происходит равномерно, без образования скачков уплотнения. Расчетный изоэнтропный КПД данного закручивающего аппарата наиболее высокий из всех рассмотренных и равен 85,6%.
Таким образом, применение предложенной конструкции закручивающего аппарата позволяет избавиться от скачков уплотнения, вносящих неравномерность в вихревой поток газа и, тем самым, увеличить расчетный изоэнтропный КПД соплового ввода. Так как способ создания вихревого течения газа значительно влияет на процесс энергоразделения, можно прогнозировать улучшение энергоэффективности вихревой трубы в целом. Для экспериментального определения КПД вихревой трубы, с учетом внесенных изменений в конструкцию соплового ввода, в дальнейшем будут проведены дополнительные исследования. Главным результатом увеличения КПД вихревой трубы является расширение ее области конкурентоспособного применения по отношению к паро-компрессиониым холодильным машинам.
Библиографический список
1. Бабкин. Б.С. Альтернативные хладагенты и сервис холодильных систем на их основе / Б.С. Бабкин. В. И. Стефанчук, НЕ. Ковтунов. — М.: Колос. 2000. — 160 с.
2. Меркулов, A.I I. Вихревой эффект и его применение в техники / А.П. Меркулов. — М. . Машиностроение, 1969. - 184 с.
3. Пнралишвили, Ш.А. Вихревой эффект. Эксперимент, тнория. технические решения / Ш.А. Пнралишвили, В.М. Поляев, М.Н. Сергеев. М.: Учебно-научный производственный центр «Энергомаши, 2000. — 414 с.
НОСКОВ Александр Семёнович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидравлики
Уральского государственного технического университета — УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина.
ЛОВЦОВ Александр Викторович, главный конструктор ООО «КБ "НКЭ-ЮГСОН"».
ХАИТ Анатолий Вильич, аспирант кафедры гидравлики, Уральского государственного технического университета — УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина.
Адрес, для переписки: e-mail: chkz-yugson@mail.ru, hait@mail.ru
Статья поступила в редакцию 02.11.2009 г.
Ф А. С. Носков. А. В. Ловцов, Л. В. Хаит
УДК 621. 06: 62 83 В. Ф. ЕГОРОВ
Сибирский государственный индустриальный университет, г. Новокузнецк
ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Излагаются основы оптимизации переходных процессов пуска и торможения, если не возникает необходимости ограничения двигателя по перегрузочной способности, при законах изменения пускового и тормозного моментов, близких к постоянному значению или трапецеидальному для инженерно-технических работников, занимающихся разработкой оборудования промышленных предприятий.
Ключевые слова: циклический режим, переходный процесс, симметричный скоростной режим.
Быстродействие механических систем, рентабельность надежность и бесперебойность работы п значительной мере записятот условий использования электрооборудования и в первую очередь его силовых элементов. На сегодня электропривод является основным потребителем поставляемой предприятиям электрической энергии и источником механической. Процесс преобразования энергии сопровождается частичной потерей мощности, которые могут быть значительно уменьшены при регулировании величины и характера изменения нагрузок. Основная часть грузоподъемных машин, оборудования прокатных, доменных. сталеплавильных цехов и др. работает в циклическом режиме. Решающее влияиие на условия их эксплуатации оказывают динамические нагрузки в периоды пуска и торможения. Повышение интенсивности динамических режимов вызывает рос т тепловых потерь и необходимость увеличения мощности двигателя. Проявляется тенденция опережающего роста энерге тических затрат при незначительном увеличении быстродействия привода. Снижение темпа пуска и торможения приводит к увеличению времени отработки угла перемещения и общей дли тельности цикла. Следовательно, для каждого технологического режима может быть подобран оптимальный вариант условий взаимодействия двигателя. Несмотря на проводившиеся исследования [I — 3], проблема взаимосвязи пусковых и тормозных пери-
одов не получила широко го развития. С повышением интенсивности эксплуатации оборудования, совершенствованием электроприводов, существенным увеличением их перегрузочной способности стало возможным форсирование пусковых режимов при значительной статической нагрузке. Выясним, как влияет соотношение между пусковым и тормозным моментами, иными словами, длительностью периодов пуска и торможения, на условия эксплуатации двигателя.
Допустим, что во время переходных процессов момент двигателя изменяется скачком, тогда дл я механизмов, имеющих участки движения с установившейся скоростью (рис. I), эквивалентный момент нагрузки будет равен
м.ум,умх (1)
где Мп, Мт — пусковой и тормозной моменты двигателя;
Му — момент нагрузки в период установившегося движения;
1т, 1у - длительности периодов пуска, торможения и установившегося движения;
а — коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаждения двигателя при снижении скорости движения.
