CC BY
65
сти ОЭМ равной 15 кВт.
Контрольная проверка по результатам безмоторных испытаний, каких-либо нарушений конструкции и вредных контактов не выявила, что характеризует данную конструкцию тур-боэлектрокомпрессора работоспособной.
Для оценки изменения характеристики двигателя были проведены расчеты двигателя 6ЧН 13/15,6 мощностью 550 кВт, в которых оценивалась величина изменения мощности и крутящего момента, при разной мощности ОЭМ (рисунок 7). Таким образом, при мощности ОЭМ 5 кВт увеличение мощности двигателя в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1000 - 1400 об/мин составляет ~ 11%, при мощности ОЭМ 10 кВт - 21%, а при мощности ОЭМ 15 кВт - 31%.
Литература
1. Пинский Ф.И., Давтян Р.И., Черняк Б.Я. Микропроцессорные системы управления автомобильными двигателями внутреннего сгорания. Учебное пособие. - М. «Легион-Автодата». 2002. 136 с. ил.
2. Работа политехнического института г. Турин, Италия совместно с компаниями Iveco S.P.A, Италия и Holset Turbochargers, Великобритания. 2005.
Обзор проблемы течения влажного воздуха в турбодетандерах
Мартьянов О.А., д.т.н. проф. Меркулов В.И.
Университет машиностроения mera13@yandex.ru
Аннотация. В статье приведены результаты анализа влияния влажности воздуха на работу турбодетандера.
Ключевые слова: пульсации давления, влажный воздух, воздушная турбина, обледенение
Для современной авиации чаще всего характерны большие высоты полета, на которых влажность атмосферного воздуха относительно мала и ее влияние на работу и характеристики авиационных систем можно не принимать во внимание. Однако на ряде режимов полета, в таких как полеты на малой высоте, в летний период в районах с высокой относительной влажностью и высокой температурой окружающей среды, количество водяных паров в атмосфере может оказаться столь значительным, что становится неизбежной конденсация влаги в агрегатах авиационных систем.
Исходя из рисунка 1, очевидно, что при полетах на определенных высотах и в различных климатических зонах появляется опасность обледенения как проточной части турбома-шины, так и агрегатов, расположенных в системе кондиционирования. В связи с этим стоит отметить, что подобные факторы могут играть значительную роль как в надежности работы турбокомпрессора, так и в надежности и долговечности всей системы. По вопросам, связанным с данной проблемой, проводится большое количество исследований, ставящих перед собой различные задачи. Многие работы ведутся с упором на экспериментальные данные, например, оценка характера изменения работы турбокомпрессора при введении в него капельной влаги различного размера. Однако на данный момент также проводятся исследования, которые касаются поведения влаги в потоке, ее конденсации и воздействия на лопатки (разрушение лопаток, пульсации давления в потоке). Данные исследования способны содействовать формированию комплексного подхода к данной проблеме.
После оценки приведенных данных можно сделать выводы о характере изменений в работе турбокомпрессора, проанализировать показатели наличия влаги в капельной форме и разработать методику предупреждения обледенения, которая в дальнейшем позволит избежать негативных последствий, связанных с наличием крупнодисперсной влаги в проточной части турбокомпрессора.
Далее рассматриваются работы, в которых раскрываются вопросы поведения влажного
воздуха в турбодетандере и его работа при различных режимах.
л
I
о
в
§
м -
я
о
и га
50 45 ¿0 35 30 25 20 15 10 5
\
*
\
V
\
\
\
V
\
\
\
\
\
\
Ч \
\ \
N. \
\ \
N. ч
0 1 2 3 и 567 89 10
Высота, км
Рисунок 1. Зависимость максимальной абсолютной влажности воздуха от высоты
полета:----для стандартных атмосферных условий;------для повышенных на 22 °С
температур
По исследованию поведения крупнодисперсной фазы в лопатках турбокомпрессора проводилась аналитическая и экспериментальная работа. Были проведены эксперименты по наблюдению за поведением волновой структуры влаги, отбрасываемой турбокомпрессором и скачками уплотнения давления за лопатками.__
Рисунок 2. Экспериментальный стенд для проведения испытаний
Вогнутая сторона
Ж™"
Волнообразная структура капельного следа
М1Х= 0.98
.-.•Л;!?'' «Г . .ч • '
Вогнутая сторона
Рисунок 3. Структура капельного потока за фронтом решетки
На приведенном стенде (рисунок 2) проводились эксперименты по получению характеристик обтекания потоком плоских решеток. На основе анализа мгновенных снимков влаж-нопарового потока (рисунок 3), полученных методом лазерной диагностики, рассмотрены характерные особенности образования жидкой фазы и формирования структуры двухфазного потока пара в сопловой решетке.
Для измерения абсолютного давления (постоянной и переменной составляющих) потока в исследуемом объекте использовались пьезорезистивные датчики XTEL-140M-1,7. Для исследования пульсаций статического давления в косом срезе решетки заподлицо с бандаж-
ной пластиной установлено 5 датчиков (рисунок 4).
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00
F"
МГТ
0.70 0.90 -датчик 1 —1 датчик 4
1.10 датчик 2
датчик 5
1.30 1.50 —-^-датчик 3
Рисунок 4. Схема расположения датчи- Рисунок 5. Динамический уровень пульсации ков абсолютного давления по датчикам абсолютного давления
Результаты, снимаемые с датчиков абсолютного давления, приведены на рисунке 5.
На рисунке 5 приведены графики динамического уровня пульсации P" по датчикам к числу Маха, где: P''- изменение уровня динамических пульсаций, Mit - число Маха.
На основании зависимости, приведенной на графике, можно сделать вывод, что наиболее информативным для определения показателя уровня пульсации давления является датчик 5, установленный в непосредственной близости к выходной кромке лопатки.
Также ранее проводились испытания турбокомпрессора, в который вводилась капельная влага.
Практика эксплуатации быстроходных турбокомпрессоров, выступающих в роли расширительных машин (турбодетандеров) показала, что влажный воздух приводит в определенных условиях к обледенению проточной части турбокомпрессора, что вызывает разрушение рабочих лопаток. На рисунке 6 отмечены зоны, в которых происходит разрушение.
Рисунок 6. Зоны ТК подверженные разрушению
Зона 1 - характеризуется наличием свободной влаги, создающей капельный вихрь на кончиках колеса, что приводит к эрозийному воздействию на СА, вызывая разрушение лопа-
Серия «Транспортные средства и энергетические установки» ток, как колеса ТК, так и СА (рисунок 7).
Зона 2 - характеризуется наличием твердой фазы на выходе из колеса ТК, что создает механическое воздействие на основание колеса, что в свою очередь приводит к его разрушению, вызывает низкочастотную вибрацию, снижает КПД, вызывает рост температуры на выходе из ТК. Является источником ледяных пробок в системе (рисунок 8).
Рисунок 7. На изображении видно, какие области лопаток ТК и СА подвергались
разрушению в процессе работы
Рисунок 8. На изображении видно разрушение основания лопатки ТК вследствие
воздействия твердой фазы
В результате экспериментов, проводившихся на ТК на влажном воздухе, было выявлено, что количество выпавшей влаги изменяется от режима к режиму от 0 до 2,5 г на 1 кг воздуха. При появлении капельной влаги в проточной части ТК отмечается колебание числа оборотов ротора, чего не происходило при испытании ТК на сухом воздухе. При этом, если число оборотов превышало 58000 об/мин, колебание числа оборотов заметно возрастало. С разной частотой, число оборотов резко снижалось на 3 - 5 тыс.об/мин, затем восстанавливалось до первоначального. Работа ТК свыше 58000 об/мин возможно, однако, при этом сильно увеличивается колебание числа оборотов, а эффективность ТК снижается (рисунок 9).
Лад \ • •
• • .\ • —ф—
1- • • • •• •
• К1 \
1 • * •
0 0,5 1 1,5 2 ДХ (г/кг)
Рисунок 9. Влияние количества выпавшего конденсата на адиабатический КПД и температурный коэффициент Кт при ¿=27 °С, «=50000 об/мин
На рисунке 9 температурный коэффициент вычислялся по формуле:
T _ T к = ,
' T0 - T2t
где: T0 - температура воздуха на входе в детандер;
T2 - тепература воздуха на выходе из детандера;
T2t - расчетная температура на выходе при расширении сухого воздуха.
Для объективной диагностики момента начала обледенения или момента критических
условий, при которых возникает риск обледенения, требуется решение следующих задач:
• проведение численных экспериментов по газовой динамике движения газового потока по проточной части лопаточной машины с изменением количества влаги в рабочем воздухе, вплоть до начала момента кристаллизации;
• термодинамический анализ теплообмена между воздухом и льдом (с учетом теплоты, затраченной на кристаллизацию);
• выбор диагностического признака для обоснования момента ликвидации твердой фазы (льда) в потоке воздуха.
Литература
1. Антонова Н.В., Шустров Ю.М. Проектирование авиационных систем кондиционирования воздуха. М.: Машиностроение, 1997. С. 219-228.
2. Ардашев В.И. Исследование работы турбодетандера на воздухе, насыщенном водяными парами // Глубокий холод и кондиционирование: Тр. МВТУ. 1969.
3. Епифанова В.И. Компрессорные и расширительные турбомашины радиального типа. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1998. С. 444-456.
4. Мартьянов О.А., Меркулов В.И. Анализ обледенения проточной части транспортных турбокомпрессоров // Известия МГТУ «МАМИ», № 3(21), 2014.
Углеродные материалы для деталей ГТД и ДВС, проблемы и перспективы
к.т.н. Пятов И.С., доц. Шибоев О.В., проф. Бузинов В.Г., проф. к.т.н. Макаров А.Р., доц. к.т.н. Костюков А.В., доц. к.т.н. Поседко В.Н., к.т.н. Финкельберг Л.А.,
к.т.н. Костюченков А.Н.
ООО «РЕАМ-РТИ», Университет машиностроения, ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»
kostukov123@yandex. ru
Аннотация. Приведены результаты применения углеродосодержащего материала «КАРБУЛ» для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрена технология изготовления поршней из материала «КАРБУЛ». Показаны перспективы применения материала «КАРБУЛ» для малоразмерных газотурбинных двигателей.
Ключевые слова: углеродосодержащие материалы, поршень, газотурбинный двигатель, теплообменник, центробежный компрессор
Совершенство двигателей определяется совокупностью свойств, среди которых основополагающими являются: топливная экономичность, экологичность, удельная материалоемкость, габаритно-массовые показатели, стоимость и ресурс.
На эти свойства значительное влияние оказывает выбор материалов деталей: у газотурбинных двигателей (ГТД) для роторов компрессорной и турбинной ступеней, вращающегося рекуперативного теплообменника, у поршневых двигателей (ПД) - цилиндро-поршневой группы: головки и блока цилиндров, шатуна, и, особенно, выбор материала для поршня. Кроме того, реализация свойств материала в изделиях, включая стоимость, связана с технологичностью - количеством и энергоемкостью технологических переходов от получения заготовки до конечного продукта.
