CC BY
15
УДК 621.45: 621.565.83
ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕВОЙ ТРУБЫ ДЛЯ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТЕРМОПАТРОНА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
В. И. Кузнецов, В. В. Макаров, А. Ю. Шандер
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-43-46
Аннотация - В статье рассматривается вопрос замены термокамеры вихревой трубой при исследовании работы термопатрона авиационного газотурбинного двигателя с целью повышения экономичности экспериментальных работ. Кратко описан принцип работы вихревой трубы и показано за счет чего происходит энергоразделение потоков воздуха в ней. Приведена схема экспериментальной установки для исследования работы термопатрона газотурбинного двигателя, а также принцип работы установки. Показано, что применение вихревой трубы значительно снижает затраты на проведение испытаний термопатрона.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, термопатрон, термическая камера, вихревая труба, энергообмен.
I. Введение
Газотурбинные двигатели (ГТД довольно широко применяются с современной технике: в авиации, в том числе на реактивных самолетах, на танках, буровых установках, в стационарных промышленных установках, на энергетических установках, в качестве силовых установок в промышленности и на транспорте. Повышение устойчивости работы и экономичности в процессе его производства и использования является актуальным вопросом исследований.
II. Постановка задачи
При некоторых частотах вращения турбокомпрессора может возникнуть помпаж компрессора и выход ГТД из строя. Чтобы этого не произошло, на компрессоре устанавливается клапан перепуска воздуха (КПВ), который увеличивает запас устойчивой работы компрессора.
Для проверки правильности срабатывания КПВ двигатель устанавливается в термокамеру, где проверяют работу клапана перепуска при определенном значении оборотов турбокомпрессора. Однако возможен более экономичный расход воздуха заданной температуры при проведении испытаний с использованием вихревой трубы, что позволяет снизить затраты на эксперимент в целом. Задачей является показать экономичность применения вихревой трубы.
III. Теория
Линия совместной работы компрессора и турбины в газотурбинном двигателе имеет разные запасы устойчивой работы на разных приведенных оборотах (рис. 1) [1].
т
12 ю
/ /
А / / \
/ / \ / \ у/ 1П
У У > / > у 0.95
/ > \ 0.9
hnp-0.t
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Рис. 1. Изменение запасов устойчивой работы ГТД по линии рабочих режимов: А - граница устойчивой работы; В - линия совместной работы компрессора и турбины (линия рабочих режимов); к*к - степень повышения полной работы компрессора, ) - расходная газодинамическая функция,
и - относительная приведенная частота вращения турбокомпрессора
Запас устойчивой работы компрессора определяется по формуле (1):
\_пК )) 1
АКу =
Лгр.
[< (Ч(Л)) 1 л
-1
100%,
(1)
где АКу - запас устойчивой работы компрессора; ж"к - степень повышения полного давления воздуха в кос-прессоре; ) - расходная газодинамическая функция; индексы «гр». - граница, «л.с.р». - линия совместной работы.
Для нормальной работы компрессора запас устойчивости работы должен быть более 10% (АКу > 10%). Как видно из рис. 1, на приведенной частоте вращения турбокомпрессора менее 0.9 (п < 0.9) запас устойчивой работы турбокомпрессора становится меньше 10% (АКу < 10%).
В этом случае может возникнуть помпаж компрессора и выход ГТД из строя. Чтобы этого не произошло, на компрессоре устанавливается клапан перепуска воздуха (КПВ). При открытии КПВ линия рабочих режимов опускается, и запасы устойчивой работы компрессора растут (рис. 1), что исключает возможность возникновения помпажа.
Для проверки правильности срабатывания клапана перепуска воздуха двигатель устанавливается в термокамеру, где проверяют правильность срабатывания автоматики по открытию клапана перепуска при определенном значении приведенных оборотов турбокомпрессора (ппр ). Проверка работы клапана перепуска воздуха осуществляется в диапазоне температуры воздуха на входе в двигатель от -60°С до +60°С.
IV. Результаты экспериментов
Для снижения затрат на проведение экспериментальных работ по определению нормальной работы клапана перепуска воздуха предложена система подачи воздуха заданной температуры только на термопатрон, осуществляющая срабатывание автоматического регулирования. Это приводит к снижению подачи воздуха заданной температуры в десятки раз и, как следствие, к повышению экономичности экспериментов.
Подача воздуха заданной температуры осуществляется с помощью вихревой трубы, из которой воздух поступает непосредственно на термопатрон ГТД (рис. 2).
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования работы газотурбинного двигателя: 1 - трубопровод для подачи сжатого воздуха от заводской сети; 2 - рабочая камера вихревой трубы; 3 - канал отвода подогретого воздуха из вихревой трубы; 4 - вентиль, регулирующий подачу подогретого воздуха; 5 - диафрагма для отвода охлажденного воздуха из вихревой трубы; 6 - кран для подвода охлажденного или подогретого воздуха в термопатрон; 7 - трубопровод, соединяющий кран 6 и термопатрон;
8 - трубопровод, соединяющий кран 6 и атмосферу
Работа установки осуществляется следующим образом (рис. 2). Из заводской сети сжатый воздух через трубопровод 1 поступает в рабочую камеру вихревой трубы 2. В рабочей камере 2 за счет энергообмена воздух разделяется на подогретый и охлажденный. Подогретый воздух выходит через канал 3, охлажденный - через диафрагму 5. Из канала 3 и диафрагмы 5 воздух поступает в кран 6 и из него через трубопровод 7 поступает в термопатрон. Кран 6 необходим для того, чтобы в термопатрон поступал охлажденный или подогретый воздух. В положении I из крана 6 в трубопровод 7 будет идти подогретый воздух, в положении II - будет идти охлажденный воздух. Величина температуры воздуха, поступающего в трубопровод 7, регулируется вентилем 4.
Разделение воздуха в вихревой трубе на подогретый и охлажденный происходит следующим образом [2]. Сжатый газ, втекая в гладкую трубу с большой скоростью, образует интенсивный вихрь. Из-за центробежных сил частички газа не могут переместиться к центру трубы, они движутся, вращаясь около стенок. При определенном положении вентиля 4 часть воздуха идет к клапану 6, а часть переходит на меньший радиус и движется к диафрагме 5. Так как реальный газ обладает вязкостью, то каждая струйка будет тормозить соседнюю, вращающуюся на меньшем радиусе, и отнимать у нее энергию. Вследствие этого в вихревом потоке произойдет передача энергии от оси к периферии, поэтому энергия периферийных слоев газа будет расти, а осевых -падать.
Отводом осевых слоев газа через расположенное на оси отверстие (диафрагма 5), а периферийных - через канал отвода подогретого воздуха 3 и осуществляется в вихревой трубе разделение воздуха на охлажденный и подогретый.
Величина энергообмена между периферийными и осевыми слоями воздуха определяется из первого начала термодинамики - в тепловой форме [2]:
Чнар, - ] - е-]■ = % = ¡0у ■ (2)
где цнар — удельный наружный тепловой поток; , — энтальпия, Дж/(кг-к); индекс «0» — параметр торможения.
Уравнение теплосодержания не включает работу трения, поскольку работа, расходуемая не преодоление трения или любого другого вида сопротивлений, преобразуется полностью в тепло, которое остается в воздушной струе. Имеется другая (механическая) форма уравнения энергии, куда не входит температура воздуха [2]:
-/ = -/ 1>Р0 тр.'-
или
/ + / .
-] т 1тр.1-]
п-1 Р01
п—1
)Т" -1
Р0,
(3)
где / - удельная работа, Нм/кг; п - показатель политропы; p - давление, Н/м2; р - плотность, кг/м3; индекс «тр.» - трение.
К уравнениям (2) и (3) добавляются уравнение состояния (4)
р = 1Г ■ (4)
где R - газовая постоянная, Дж/(кг-К); T - температура, К и уравнение сплошности (5)
О, =рЩ. (5)
где G - расход воздуха, кг/с; F - площадь, м2; V - скорость, м/с.
V. Обсуждение результатов Система уравнений (2) - (5) является основной для определения параметров воздуха на выходе из вихревой трубы. Из этой системы уравнений видно, что полное теплосодержание воздуха может измениться только в том случае, если есть обмен работой и теплотой. В вихревой трубе осевые слои воздуха совершают работу над периферийными силами вязкости, а тепловой поток идет от периферии к оси за счет разности термодинамических температур периферийного и осевого потоков воздуха.
Изменением положения вентиля 4 (рис. 2) можно регулировать количество и температуру воздуха, поступающего на термопатрон ГТД. Температуру воздуха можно регулировать в диапазоне t=±60°С.
VI. Выводы и заключение
Таким образом, применение вихревой трубы для исследования работы термопатрона ГТД позволяет избежать установку двигателя в термокамеру и во много раз снизить затраты на проведение испытаний, так как расход воздуха через вихревую трубу составляет около 1% расхода воздуха через двигатель (Ge.bt.<0.01 GE.r^).
Список литературы
1. Бакулев В. И. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: учеб. М.: МАИ, 2003. 288 с.
2. Кузнецов В. И., Макаров В. В. Вихревая труба: эксперимент и теория. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. 239 с.
УДК 629.76.001.57
МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ
К. А. Рожаева
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-2-46-50
Аннотация - Цель исследования - обеспечение качества процесса проектирования на этапе научно-исследовательских работ по разработке активной бортовой системы спуска отработанных ступеней ракет-носителей с жидкостными ракетными двигателями путем моделирования процесса газификации невыработанных остатков топлива в баках.
Предложены расчетная методика процесса газификации жидких остатков компонентов ракетного топлива в баке, позволяющая за счет поиска и устранения ошибок в алгоритме вычислений повысить достоверность результатов расчета, а также экспериментальная методика моделирования процесса испарения модельной жидкости в ограниченной емкости экспериментальной установки, позволяющая вследствие отбраковки недостоверных измерений на основе приведенных критериев и вовремя обнаруженных неисправностей повысить достоверность результатов экспериментальных исследований, снизить затраты на проведение экспериментов.
Ключевые слова: качество, достоверность, проектирование, газификация, допущения, модель.
1.Введение
В рассматриваемом исследовании на этапе научно-исследовательских работ в качестве основной характеристики объекта, входящей в его качество, применяется критерий достоверности научных результатов.
Оценить достоверность получаемых результатов исследований - значит, установить степень близости результатов численных и экспериментальных исследований. При этом, учитывая такие влияющие на конечный результат факторы, как: различные преобразования, допущения и упрощения в математической и физической моделях, использование неправильных размерностей, человеческий фактор, внешние условия проведениях эксперимента, которые ведут к появлению погрешностей и различного рода ошибок, требующие их минимизации.
На этапе научно-исследовательских работ традиционно использовались методы обеспечения достоверности теоретических результатов путем использования известных решений для исследуемого процесса и лицензионные программные продукты, подтверждаемые экспериментами и удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.
Проведенный анализ современного уровня теоретических и практических достижений в области обеспечения качества на ранних этапах проектирования сложных технических систем российских ученых: В.А. Васильев, А.Л. Ахтулов, А.В. Альбрехт, Д.Л. Головин и др., а также зарубежных ученых: B.H. Anderson, V. Roshan Joseph, Harriet Black Nembhard показал, что существует необходимость в совершенствовании подходов, концепций и методик обеспечения качества теоретико-экспериментальных исследований, то есть создание обобщенной характеристики результатов исследования, оценивающей их объективность, глубину, новизну и полезность [1-5].
