ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ НА РАННИХ ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВ АВИАЦИОННЫХ ВРД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИМЕНЕНИЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ НА РАННИХ ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВ АВИАЦИОННЫХ ВРД

Кишалов А.Е.

ФГБОУВО УГАТУ,

доцент каф. авиационной теплотехники и теплоэнергетики, к. т. н.

Липатов В.Д.

ФГБОУ ВО УГАТУ,

аспирант каф. авиационной теплотехники и теплоэнергетики

Соловьев П.В.

ФГБОУ ВО УГАТУ,

доцент каф. материаловедения и физики металлов, к. т. н.

APPLICATION OF EARLY DECISION-MAKING EXPERT SYSTEM DESIGNING OUTPUT AIRJET ENGINE DEVICES

Kishalov A.

Ufa State Aviation Technical University, Associate professor, dep. of aviation heat power engineering & heat engineering, PhD

Lipatov V.

Ufa State Aviation Technical University, postgraduate student, dep. of aviation heat power engineering & heat engineering

Soloviev P.

Ufa State Aviation Technical University, Associate professor, dep. of materials science and physics of metals, PhD

Аннотация

Описана разработанная экспертная система поддержки принятия решения при разработке конструкции основных узлов авиационных двигателей и наземных энергетических установок на их базе и выборе материалов для их основных деталей и сборочных единиц. Приведены результаты моделирования конструкции выходных устройств авиационных ВРД различных типов.

Abstract

The developed expert system for decision-making support in the development of the design of the main units of aircraft engines and ground power plants based on them and the choice of materials for their main parts and assembly units is described. The results of modeling the design of the output devices of aircraft air-jet engines of various types are presented.

Ключевые слова: База данных материалов; экспертная система; выходные устройства; реактивное сопло; авиационные двигатели; прогнозирование конструкции.

Keywords: Materials database; expert system; exhaust system; reactive nozzle; aircraft engines; design prediction.

ВВЕДЕНИЕ

Каждое новое поколение авиационных двигателей отличается от предыдущего всё возрастающими требованиями к уровню показателей его совершенства, к экономичности, надёжности и другим эксплуатационным характеристикам. При этом разработкой конструкции авиационных ВРД занимается большое количество высококлассных специалистов. В современных условиях становится невозможно проектирование новой авиационной техники без активного применения множества разноуровневых математических моделей проектируемого объекта. В статье описывается разработанная на базе системы имитационного термогазодинамического моделирования Dvigw экспертная система (ЭС) поддержки принятия решения при разработке конструкции основных узлов авиационных ВРД и наземных энергетических установок на их базе [1]. ЭС выполняет термогазодинамическое моделирование, разрабатывает конструкцию моделируемого узла, определяет тепловое состояние и основные усилия, действующие на элементы. На

основании проведенных расчетов ЭС анализирует и выбирает материалы из БД для применения в конструкции деталей и сборочных единиц проточной части. Данная статья посвящена проверке работоспособности разработанной ЭС и моделированию выходных устройств авиационных ВРД различного типа и принципа действия.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ УСТРОЙСТВ

Основное назначение выходного устройства авиационных ВРД - это преобразование энергии выходного потока газа в реактивную тягу заданного направления. Также выходное устройство используется для поддержания требуемого режима работы турбокомпрессора за счет поддержания необходимой площади проходного сечения сопла, для транспортировки газа в фюзеляже и гондоле двигателя, для снижения уровня шума выхлопной струи, а также для экранирования прямого инфракрасного излучения высокотемпературных элементов газогенератора. Конструкция выходного устройства ГТД включает в себя такие элементы как: затурбинный

диффузор, газоотводящее устройство, камеру смешения, реактивное сопло, реверсное устройство и шумоглушители. Моделирование работы выходного устройства, входящего в состав ВРД, должно так или иначе учитывать эти элементы, а также параметры рабочего режима. Для моделирования при помощи ЭС необходимо составить топологическую схему ВРД в ЭС, идентифицировать её путем варьирования характерных параметров, чтобы обеспечить совпадение значений необходимых параметров и характеристик модели с параметрами моделируемого двигателя [2]. Моделирование работы

выходного устройства в описываемой ЭС осуществляется при помощи структурного элемента (СЭ) «Выходное устройство». При моделировании СЭ «Выходное устройство» проектирует разные типы выходных устройств (в зависимости от входных параметров и параметра «Тип выходного устройства» во входных параметрах СЭ «Выходное устройство»). В качестве типа выходного устройства можно указать: сопло Лаваля, суживающееся сопло, сопло-патрубок (рисунок 1).

а) Сопло малой заметности ТРД б) Сопло для вертолетного двигателя

Рисунок 1. Схемы смоделированного выходного устройства

МОДЕЛИРОВАНИЕ УЗЛА РС ТРДДФСМ (СЕМЕЙСТВА АЛ-31Ф)

Выходное устройство моделируемого двигателя осесимметричное, регулируемое, всережим-ное, сверхзвуковое створчатой конструкции. Общее управление критическим сечением (суживающаяся часть) осуществляется с помощью 16-ти гидроцилиндров с топливом в качестве рабочего тела. Управление площадью среза сопла осуществляется при помощи 16-ти пневмоцилиндров [3]. В конструкцию реактивного сопла входят три ряда створок (по 16 штук) и проставок: первый ряд - дозвуковая суживающаяся часть, второй ряд - сверхзвуковая расширяющаяся часть, третий ряд - внешняя часть - наружные створки. Створки первого и

второго ряда сопла изготавливаются из сплава ВЖЛ-12У. Проставки первого и второго рядов из ВЖ-101. Внешние створки и проставки изготовлены из титанового сплава ВТ-20.

На передней кромке дозвуковой створки установлен теплозащитный экран, который защищает створки от высокой температуры газа в критическом сечении сопла (рисунок 2, а).

Моделирование осуществляется на взлётном режиме ПФ (Н = 0, М = 0). В качестве исходных параметров в СЭ «Материал выходного устройства» указана доля охлаждающего воздуха на входе в сопло (2%) и количество створок сопла (16). Схема РС, предложенная ЭС приведена на рисунке 2, б.

а) Схема конструкции б) Результаты моделирования

Рисунок 2. Реактивное сопло ТРДДФсм (семейства АЛ-31Ф)

Сравнение результатов моделирования с параметрами реальной конструкции двигателя приведено в таблице 1.

Диаметральные размеры сопла моделируются достаточно точно. Из-за того, что конструкция дозвуковой створки РС имеет скруглённый участок (обеспечивающий критическое сечение сопла), её

длина больше, чем необходима для плавного разгона потока до скорости звука. Поэтому относительная погрешность при определении длины дозвуковой створки составляет 40%. Погрешность в определении длины сверхзвуковой створки гораздо меньше (0,6%), как и погрешность определения длины дозвуковой и сверхзвуковой частей РС (12 и 0,5%, соответственно). Расстояние от створки до

жаровой трубы (теплозащитного экрана) моделируется достаточно точно (относительная погрешность 0,3%), что позволяет оценить эффективность охлаждения сопла 0,43 и температуру выходного устройства (его наиболее горячей части) 1368К.

Толщина стенки в дозвуковой части сопла (толщина створки) 1,5 мм, толщина сверхзвуковой створки 2,5 мм. ЭС предложила конструкцию с толщиной стенки 2,48 мм.

Сравнение результатов моделирования РС ТРДДФсм

Таблица 1

Параметр 5, %

Диаметр на входе в сопло 0,01

Длина дозвуковой створки сопла 40,6

Длина сверхзвуковой створки сопла 0,59

Длина теплозащитного экрана 49,2

Расстояние от створки до ЖТ 0,28

Длина дозвуковой части сопла 12,4

Длина сверхзвуковой части сопла -0,54

Суммарная длина сопла 2,62

Толщина стенки сопла 0,5

На максимальном взлётном режиме (Н = 0, М = 0) ЭС предложила схему на рисунке 3, а. При этом режим расчёта - 1 (геометрия створок остаётся неизменной, а площади поперечных сечений могут изменяться).

Если моделировать РС на максимальном режиме, но режим расчёта - 0 («завязка»), то ЭС предлагает другую конструкцию РС (рисунок 3, б).

а) Обычный режим расчета б) Режима расчета «завязка»

Рисунок 3. Схема конструкции РС ТРДДФсм на максимальном режиме

Сравнение геометрических размеров РС на режиме максимал и полный форсаж приведено в таблице 2. Остальные параметры (кроме режима) оставались неизменными. Как видно из результатов моделирования, на максимальном режиме изменились диаметры критического и выходного сечений, но при этом длина и толщина створок не изменились. Расход охлаждающего воздуха уменьшился на 37%. Из-за этого изменилась эффективность охлаждения (0,2903) и, соответственно, температура выходного устройства (681 К). При моделировании на максимальном режиме на режиме расчёта «завязка» конструкция выходного устройства значительно изменилась. Диаметры критического и выходного

сечений сопла соответствуют расчёту на максимальном режиме. Длина дозвуковой створки уменьшилась на 23%, а длина сверхзвуковой створки уменьшилась на 28%. Расстояние от створки до ЖТ увеличилось на 30%. Эффективность охлаждения увеличилась до 0,5, температура выходного устройства стала 619 К. Из-за этого увеличилось допустимые силы, действующие на стенки, и система предложила толщину в 0,67 мм. Соответственно масса выходного устройства уменьшилась до 16,68 кг. В таблице 3 приведено результаты выбора предлагаемых ЭС материалов на разных режимах.

Таблица 2

Результаты моделирования РС на различных режимах

Параметр ПФ М М ("завязка")

Диаметр критического сечения сопла, м 0,8095 0,6068 0,6059

Диаметр выходного сечения сопла, м 0,8466 0,6331 0,6324

Длина дозвуковой створки сопла, м 0,1571 0,1571 0,1216

Длина сверхзвуковой створки сопла, м 0,5453 0,5453 0,3899

Длина теплозащитного экрана, м 0,0524 0,0524 0,0405

Расстояние от створки до ЖТ, м 0,0036 0,0036 0,0047

Длина дозвуковой части сопла, м 0,1542 0,0869 0,1194

Длина сверхзвуковой части сопла, м 0,5449 0,5451 0,3896

Суммарная длина сопла, м 0,6992 0,6321 0,5091

Толщина стенки сопла, мм 2,4888 2,4888 0,6675

Эффективность охлаждения сопла 0,4305 0,2903 0,5043

Температура выходного устройства, К 1368 681 619

Масса выходного устройства, кг 121,85 121,85 16,68

Таблица 3

Подбор материала для створок сопла на различных режимах_

Констр. Результат моделирования

ПФ М М ("завязка")

ВЖЛ-12У ВКНА-4; ВЖЛ12У; ЖС36; ВКЛС20; ВЖ171 ЭК152ИД; ЭК151-ИД; ВТИ-4Х; ВТ25; ВТ22 ЭК152ИД; ЭК151-ИД; ВТИ-4Х; ВТ25; ВТ22

Как видно из результатов моделирования, на режиме ПФ система предлагает применить материал ВКНА-4. Так как его плотность ниже (р = 7840 кг/м3), а рабочая температура выше (/раб = 1200 °С), чем у ВЖЛ12У. ВЖЛ12У (из которого выполнена реальная конструкция) находится на втором месте (р = 7930 кг/м3, /раб = 1100 °С).

МОДЕЛИРОВАНИЕ УЗЛА РС ТРДДФСМ

(СЕМЕЙСТВА РД-33) Выходное устройство моделируемого двигателя представляет собой сверхзвуковое РС с изменяемым в зависимости от режимов работы двигателя площадями критического и выходного сечений. РС позволяет менять критический диаметр от 474 до 769 мм и выходной диаметр от 494 до 960 мм

[4]. Выходное устройство также включает в себя системы синхронизации дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла, механизм обратной связи и систему гидроцилиндров, объединённых в кольцевой браслет, с помощью которого изменяется площадь критического сечения сопла [5]. Внутренний контур РС образован двадцатью четырьмя малым створками (сужающейся части сопла) и таким же количеством больших створок (расширяющейся части сопла). Малые и большие створки подразделяются на ведущие и ведомые (проставки). К внутренней поверхности малых створок прикреплены пластины теплозащитного экрана (рисунок 4). Внешний контур РС образуют двенадцать створок и двенадцать проставок.

Рисунок 4. Схема РС ТРДДФсм (семейства РД-33)

Моделирование осуществляется на взлётном режиме ПФ и максимальном режиме (Н = 0, М = 0). Во входных параметрах СЭ «Материал выходного устройства» указана доля охлаждающего воздуха на входе в сопло (6,2%) и количество створок сопла

а) Режим ПФ

(12 створок). Схема РС, предложенная ЭС на режиме ПФ, приведена на рисунке 5. Сравнение результатов моделирования с параметрами реальной конструкции двигателя приведено в таблице 4.

б) Режим М

Рисунок 5. Схема конструкции РС ТРДДФсм

По результатам моделирования получено, что дозвуковой и сверхзвуковой створки, диаметры критического и выходного сечений РС предложенная ЭС меньше, чем в конструкции находятся в диапазоне работы сопла [4]. Длина двигателя (на 7 и 17%, соответственно). По длине

дозвуковой и сверхзвуковой части сопла картина дозвуковой створки, в отличие от алгоритмов ЭС, аналогичная. Теплозащитный экран по которым теплозащитный экран имеет длину 1/3

моделируемого сопла расположен по всей длине от длины дозвуковой створки

Таблица 4

Сравнение результатов моделирования РС ТРДДФсм_

Параметр 5, %

Диаметр на входе в сопло -2,45

Длина дозвуковой створки сопла 6,69

Длина сверхзвуковой створки сопла 16,8

Длина теплозащитного экрана 68,9

Расстояние от створки до ЖТ -0,33

Длина дозвуковой части сопла 8,17

Длина сверхзвуковой части сопла 16,1

Суммарная длина сопла 13,7

Толщина стенки сопла -4,6

Расстояние от створки до теплозащитного экрана (щель под экраном) моделируется достаточно точно, благодаря подбору доли охлаждающего воздуха. При моделировании с хромо-никелевым сплавом ЭП99, ЭС предложила конструкцию с толщиной стенки (створки) 2,61 мм, при этом конструкция двигателя имеет толщину от 2,0 до 2,5 мм. На режиме ПФ эффективность охлаждения сопла 0,6861 и температура нагретой части 1249 К. На режиме М доля охлаждающего воздуха уменьшилась до 4,15%, эффективность охлаждения уменьшилась до 0,4817, температура стенок стала 630 К.

МОДЕЛИРОВАНИЕ УЗЛА РС ТРДДСМ С БОЛЬШОЙ СТЕПЕНЬЮ ДВУХКОНТУРНОСТИ (СЕМЕЙСТВА ПС-90) Реактивное сопло моделируемого двигателя нерегулируемое суживающееся, его схема приведена на рисунке 6, а [6]. После смешения потоков

наружного и внутреннего контуров в короткой смесительной камере газ поступает в реактивное сопло, где поток разгоняется [7]. Сопло имеет двух-стенную конструкцию, включает в себя смеситель наружного и внутреннего контура и кок-стекатель (центральное тело).

Моделирование выполнялось для взлётного максимального режима (Н = 0, М = 0), так как температуры сопла при этом максимальные. При моделировании за входное сечение сопла принято сечение среза смесителя. Соответственно основные геометрические размеры сопла сравниваются также с этим сечением.

Схема РС, предложенная ЭС, приведена на рисунке 6, б. Сравнение результатов моделирования с параметрами реальной конструкции двигателя приведено в таблице 5.

а) Схема конструкции

б) Результаты моделирования

Рисунок 5. Реактивное сопло ТРДДсм (семейства ПС-90)

По результатам моделирования получено, что относительная погрешность диаметральных размеров составляет порядка 2,5%. Погрешность моделирования длины сопла составляет порядка 6,5%. Толщина стенки сопла по результатам

моделирования 1,64 мм (при моделировании с титановым сплавом в качестве материала сопла). Но в конструкции сопла толщина внутренней стенки 1,5 мм, а наружной 3,1 мм.

Результаты моделирования РС ТРДДсм (семейства ПС-90)

Таблица 5

Параметр 5, %

Диаметр входного сечения сопла 0,00

Диаметр критического сечения сопла -2,43

Длина дозвуковой части сопла 6,49

Толщина стенки сопла -9,59

ВЫВОДЫ

В статье описана разработанная БД и ЭС поддержки принятия решения при проектировании конструкции основных элементов проточной части авиационных ВРД и наземных энергоустановок на их базе. Описан метод автоматизированного проектирования конструкции выходных устройств для ВРД различных типов и принципов действия. При моделировании система позволяет оценивать габаритно-массовые характеристики проектируемой конструкции, выбирать материалы для её элементов. Разработанная методика моделирования позволяет за короткий срок прорабатывать множество вариантов конструкции, оптимизировать параметры и характеристики узлов, оценивать их габаритно-массовые характеристики на ранних этапах проектирования изделия. Что позволяет значительно уменьшить срок разработки и улучшить параметры совершенства всей конструкции.

Работа выполнена при поддержке гранта республики Башкортостан №18ГР.

Список литературы

1. Экспертная система по выбору материалов основных деталей авиационных воздушно-реактивных двигателей (свидетельство об официальной регистрации) //А. Е. Кишалов и др.:

Св-во об официальной регистрации № 2014610727. М.: Роспатент, 2014.

2. Автоматизированное проектирование авиационных газотурбинных двигателей и выбор материалов их основных деталей / Ахмедзянов Д. А., Кишалов А. Е., Маркина К. В. // Вестник СГАУ

- Самара: СГАУ, 2015. - Т.14. №1. - С. 101-111.

3. Турбореактивный двухконтурный двигатель с форсажной камерой сгорания АЛ-31Ф: Учебное пособие / Под редакцией А. П. Назарова, -М.: изд. ВВИА, 1987. - 363 с.

4. Виноградов, А.С. Конструкция ТРДДФ РД-33: электрон. учебное пособие / А.С. Виноградов; М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева - Электрон. текстовые и граф. дан. - Самара, 2013. - 99 с.

5. Конструкция турбокомпрессора ТРДДФ: Учеб. пособие / Кунбутаев Л. М., Луценко В. Н., Прозоров А. Б., Фролов В. А. МАИ, М.: изд. МАИ, 1996. - 45 с.

6. Конструкция основных узлов двигателя ПС-90А: Учеб. пособие / М. А. Нихамкин, М. М. Зальцман. Перм.гос.техн. ун-т. Пермь. 1997. 92 с.

7. Авиационный двигатель ПС-90А / А. А. Иноземцев, Е. А. Коняев, В. В. Медведев, А. В. Нерадько, А. Е. Ряссов; Под ред. А. А. Иноземцева.

- М.: Либера-К, 2007 - 320 с.

ФАКТОРЫ И ПРОЦЕССЫ, НЕГАТИВНО ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТУ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ПОДЗЕМНЫХ КИМБЕРЛИТОВЫХ РУДНИКОВ

Овчинников Н.П.

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова

директор Горного института, к.т.н.

Алексеев Я.Д.

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова аспирант кафедры горного дела Горного института

THE FACTORS AND PROCESSES THAT NEGATIVELY AFFECT THE OPERATION OF PUMPING

UNITS IN UNDERGROUND KIMBERLITE MINES

Ovchinnikov N.

North-Eastern Federal University director of Mining institute, candidate of technical science

Alexeev Y.

North-Eastern Federal University postgraduate of department of mining craft of Mining institute

Аннотация

В настоящей статье приведены факторы и процессы, негативно влияющие на работу насосных агрегатов подземных кимберлитовых рудников. Abstract

This article presents the factors and processes that negatively affect the operation of pumping units of underground kimberlite mines.

Ключевые слова: Шахтная вода, подземный рудник, насос, износ, рабочее колесо. Keywords: Mine water, underground mine, pump, wear, impeller.

Проведенные автором обследования насосных агрегатов типа АЭНЦСК на базе насосов марок ЦНСК 400-660 и ЦНСК 180-700, поступивших в ре-монтно-слесарный специализированный участок (РССУ) Мирнинского ГОКа на капитальные ремонты, опросы работников рудника «Мир» и

РССУ, имеющиеся в АБК рудника «Мир» агрегатные журналы насосных установок и результаты химических анализов проб шахтных вод, отчет по осмотру условий эксплуатации и ремонта насосов ЦНСК 400-660 от компании ООО «Линк-Продукт», а также литературные источники [1-8] позволили