Обзор проблемы течения влажного воздуха в турбодетандерах

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

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.