ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ РЕШЕТЧАТЫХ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Бодягин Т.С., Лохов А.А., Санников АД. ФГУП "НИЦ специальных технологий" УНИИКМ

Наибольшую трудность в создании стержневых несущих конструкций, или ферм, различного назначения представляет получение ее с необходимой жесткостью, прочностью и точностью, с приемлемыми массовыми, стоимостными и другими характеристиками.

Обеспечение указанных характеристик ферм определяется, в основном конструкторскотехнологическими решениями входящих стержневых элементов.

Разработка, выбор и реализация указанных решений регламентируется конкретным применением ферменных конструкций, в особенности в составе космических аппаратов (КА), с большим числом отдельных требований к стержневым элементам и их соединениям, выполнение которых обеспечивает соответствующее функционирование ферм в целом.

Обычно некоторые из этих требований являются доминирующими и рассматриваются как первостепенные.

Вдокладе приводятся, полученные при непосредственном участии авторов, принципиальные технологические решения в обеспечение первостепенных требований технического задания на разработку, отработку и поставку стержневых элементов, или силовых спиц с расположенными на них плоскими точностными спицами, ферменного радиально-стержневого каркаса большой развертываемой на орбите двухзеркальной антенны связного КА, включающей ступицу с шарнирно присоединенными и развертываемыми перед активной эксплуатацией антенны силовыми спицами в совокупности с размещенным на их рабочих гранях сетеполотном формирующие вогнутую отражающую поверхность основного зеркала определенной формы апертурой 4,5 м, стойку для облучателей, размещенную также на ступице, и вспомогательное зеркало с выпуклой определенной формы отражающей поверхностью апертурой 0,45 м.

Вдокладе приводится конструктивно-компоновочная схема указанной разворачиваемой антенны и натурный образец вновь созданной силовой спицы с обеспечением первостепенных требований к ее точностным и массовым характеристикам.

Силовая спица выполнена из углепластика длинномерно-криволинейной коробчатой и решетчатой по граням с развитой присоединительной к ступице законцовкой со сплошными гранями.

Первостепенные требования к силовой спице.

Допустимые отклонения рабочей поверхности спицы от теоретического профиля не более ±1,0 мм. Спица должна сохранять свои точностные характеристики после воздействия циклических изменений

температур в диапазоне минус 100°С до +100°С. Количество циклов - 50.

Перемещение консольно закрепленной через законцовку спицы при статическом нагружении периферийного конца силой Р=10 Н (1 кгс) не должно превышать 1,25 мм. Спица должна выдерживать без остаточных деформаций при аналогичном нагружении силой Р=55Н (5,5 кгс).

Масса силовой спицы не должна превышать 0,37 кг.

Однонаправленный углепластик должен соответствовать следующим характеристикам: предел прочности при растяжении, ГПа, не менее 0,8; модуль упругости при растяжении, ГПа, не менее 230; коэффициент линейного термического расширения (OiO^xlO-6 1/град.

Плотность отформованного материала, г/см3, 1,6±0,1.

При отработке конструкции силовой спицы на технологичность и отработке технологии ее формования для штатного варианта разработаны и реализованы следующие принципиальные технологические решения, дополняющие конструкторскую документацию и в совокупности обеспечивающие указанные первостепенные требования к рассматриваемой спице:

в качестве конструкционного материала обоснованно выбран углепластик, изготовленный из жгута углеродного ВМН-4 и связующего ЭНФБ, при этом для законцовки применен гибридный углепластик (жгут углеродный ВМН-4 + лента углеродная ЛУ-24П пропитанные также связующим ЭНФБ);

применена разработанная рациональная схема армирования и технология выкладки заготовки

спицы;

применен рациональный температурный режим отверждения заготовки спицы; В докладе приводятся методика и выбор конструкционных углепластиков, обоснование рациональной

схемы армирования и порядок послойной выкладки заготовки на специальной оправке и обоснование рационального температурного режима полимеризации заготовки и маршрутная технология формования силовой спицы штатной поставки.

К ВОПРОСУ О ПОСТРОЕНИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОМЕЩЕНИЯ ПРИ

СРАБАТЫВАНИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПОЖАРОТУШЕНИЯ

Бортников Р.А., Потапов Б. Ф.

Пермский государственный технический университет

Аэрозольные системы пожаротушения являются одним из эффективных средств борьбы с пожарами классов А, А2, В, С, Е (в том числе в помещениях категорий А и Б по НПБ 105-95); они обладают высоким быстродействием, сравнительно малыми размерами и массой, не требуют постоянного технического контроля и обслуживания, могут работать в широких температурных диапазонах. Огнетушители моделей Агат и ОПАН установлены на многих химических нефте- и газоперерабатывающих предприятиях города Перми [1].

В настоящее время актуальной является задача определения термодинамических параметров в помещении после срабатывания огнетушителей. В первую очередь это связано с возможным нахождением там людей или дорогостоящего оборудования.

Моделируемое помещение является сложной термодинамической системой; протекающие в нем процессы теплообмена и теплопереноса тесно связаны между собой. Поэтому при решении поставленной задачи необходимо пользоваться методами системного подхода и системного анализа. Ориентируясь на целостность объекта моделирования, нужно выявить все многообразие типов связей в нем, и, отбросив малозначащие связи (изменение которых мало влияет на объект в целом), построить единую теоретическую картину.

Целью моделирования является построение температурно-временного поля смеси аэрозоли и воздуха в помещении.

Для решения задачи необходимо знать тепловые потери в потолок, стены, пол и расположенное в нем оборудование и скорость поглощения тепла указанными поверхностями.

Алгоритм решения определяется формой и размерами помещения и предлагается следующим:

3.Сравнительная оценка механизмов конвекции и диффузии в тепломассобмене.

4.Расчет теплообмена со стенами, полом и оборудованием.

5.Расчет суммарных тепловых потерь и определение среднеинтегрального коэффициента теплоотдачи а с{г).

экспериментальным данным составляет до 12 с. и определяется временем работы огнетушителя Теплообмен осуществляется комбинированно, за счет вынужденной и свободной конвекции. Скорость обтекания поверхности увеличивается за счет линейно прогрессивной расходной характеристики огнетушителей. В квазистационарной постановке струи описаны дифференциальными уравнениями, которые решены в работах [2, 3].

«Термодинамический» период (3-5 этапы) имеет продолжительность несколько сотен секунд. Теплообмен протекает между смесью аэрозоли с воздухом и стенами в режиме свободной конвекции с переменными соотношениями коэффициентов теплоотдачи. Происходит выравнивание состава смеси и температуры в объеме. Тепло-и массообмен описывается системой включающей уравнение состояния и дифференциальные уравнения сохранения массы и энергии [4].

Проведённые эксперименты показали, что скорость распространения температурного фронта при запуске огнетушителей имеет порядок 1...3 м/сек. Полученный результаты используются для уточнения математической модели.

Список литературы

1.Потапов Б.Ф., Серебренников С.Ю. Исследование термодинамических параметров в помещении при срабатывании аэрозольного огнетушителя» Вестник ПГТУ Аэрокосмическая техника -2002 г. № 11з

с.76-81.

2.Голев Р.А., Потапов Б.Ф. Параметры струи аэрозольного огнетушителя // Вестник

ПГТУАэрокосмическая техника-2002 г. № 14, с. 96-100.

3. Бортников Р.А., Потапов Б. Ф. Физическая модель взаимодействия струй аэрозоли с преградой// Вестник ПГТУ Аэрокосмическая техника-2002 г. № 14, с92-95

3. Себиси Т., Бредшоу П. Конвективный теплообмен. М.: «Мир», 1987г.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР С АВТОНОМНЫМ ОТРАЖАТЕЛЕМ В ОПОРНОМ ПУЧКЕ

Британ А. С.

ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Голографическая интерферометрия, как средство измерения микродеформаций, находит широкое применение в научных исследованиях и в промышленности благодаря высокой чувствительности и некритичности метода к форме поверхности исследуемого объекта. Однако сдерживающим фактором применения этого метода является недостаточная виброзащищенность голографических интерферометров, что делает их непригодными для контроля стационарных объектов.

В данной работе предложено в качестве отражателя в голографическом интерферометре использовать автономный диффузный или зеркальный отражатель. Определены условия его расположения в оптической схеме интерферометра.

Недостатком известных методов, использующих отражение участка исследуемого объекта для формирования опорного пучка, либо зеркала, непосредственно закрепленного на объекте исследования, является низкое качество восстановленного с голограммы изображения, поскольку опорный пучок, формируемый произвольно выбранным участком объекта, не имеет стабильных отражающих характеристик и образует светлое пятно на восстановленном голографическом изображении [1]. Кроме того, голограмма восстанавливает два сопряженных изображения, которые образуют дополнительные помехи при дешифровке интерферограмм.

Исходя из вышеизложенного, задача повышения качества голографического изображения в методах голографической интерферометрии, использующих компенсацию смещений объекта, является весьма актуальной, особенно при контроле стационарных объектов.

Предложенный метод решает эту задачу путем использования в голографическом интерферометре автономного отражателя, специальным образом закрепленного на исследуемом объекте.

Сущность метода заключается в том, что опорный пучок формируют с помощью автономного диффузного отражателя или зеркала, жестко связанного с объектом, параметры которых выбраны из соотношения:

ср/2 < а < arc sin (v^. * X /2),

где:

а-угол между осями опорного и объектного пучков;

v пр. - предельное разрешение голографического фоторегистратора; X- длина волны когерентного излучения;

ср- угловые размеры объекта.

Диапазон углов а, в котором устанавливается диффузный отражатель или зеркало, определяется условиями устранения светового пятна на объекте при восстановлении голографического изображения и значением критического угла между направлениями опорного и объектного пучков, при дальнейшем увеличении которого фоторегистратор не способен фиксировать голограмму [2].

Благодаря тому, что опорный пучок формируется при отражении от специального диффузного отражателя, вынесенного за угловые размеры объекта, улучшается качество восстановленного с полученной голограммы изображения объекта: не происходит засветки восстановленного изображения опорным пучком; увеличивается видимая площадь объекта; за счет подбора материала диффузного отражателя становится возможным варьировать структурой и световым потоком в опорном пучке, а, следовательно, и качеством и стабильностью процесса получения голограмм.

Выводы:

1.Предложенный голографический интерферометр не требует громоздкой виброзащиты и может быть использован при контроле микродеформаций крупногабаритных объектов.

2.Применение автономного отражателя в опорном пучке повышает качество восстановленного голографического изображения и информативность метода за счет устранения засветки, вызванной отражением опорного пучка от контролируемого изделия.

Список литературы

1.Патент РФ №2020406 С 1 5G01 В 9/02

2.Патент США № 3 661 437, май 9. 1972.

3.Островский Ю.И. Голография и ее применение. Наука. Ленинград, 1973, стр. 46.

4.Эрф Р.К. Голографические неразрушающие исследования. М: Машиностроение, 1979, стр. 250.

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМОИНДИКАТОРНЫХ КРАСОК ПРИ ДОВОДКЕ МАЛОЭМИССИОННЫХ КАМЕР СГОРАНИЯ (МЭКС)

Булатов А.К, Медведев А.В. ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

При разработке современных двигателей специалистами фирмы Rolls-Royce были впервые использованы термоиндикаторные краски. Они должны были обеспечить быстрые наглядные показания пиковых температур и их изотермические распределения. Достичь подобного количества информации, особенно для вращающихся конструкций, с помощью любых других технологий было бы в большинстве случаев неосуществимо или вообще невозможно.

Метод индикации температуры с помощью цветовых термочувствительных покрытий является простым, рентабельным инструментом с широкими возможностями при измерениях. Применение термоиндикаторных красок не требует сложных операций и дорогостоящего оборудования, позволяет всю исследуемую поверхность превратить в температурный датчик. С точки зрения точности они не могут конкурировать с термоэлектрическими преобразователями (термопарами и термометрами сопротивления), однако позволяют получить полную информацию о тепловом состоянии исследуемого объекта.

При создании камер сгорания современных ГТУ, соответствующие жестким экологическим нормам, конструкторы столкнулись с проблемой оптимального согласования эмиссионных и ресурсных характеристик камеры (полей температур, температурного состояния стенок жаровой трубы), которые находятся в противоречии друг с другом. Для современных ГТУ особенно важна организация рабочего процесса в малоэмиссионной камере сгорания, обеспечивающая соответствие величин тепловых потоков к стенкам жаровой трубы и лопаткам турбины заданным значениям, при которых конструкция надежно функционирует в течение всего ресурса. Подобные обстоятельства требуют новых подходов к проблеме обеспечения ресурса ГТУ с малоэмиссионной камерой сгорания.

При создании и доводке малоэмиссионных камер сгорания для промышленных газотурбинных установок (ГТУ) на базе авиационных ГТД в ОАО “Авиадвигатель”, одним из инструментов, успешно используют английские многопереходные термоиндикаторные краски (ТР-6, ТР-8, ТР-10).

В период 2001 - 2002 год была проведена совместная работа между ФГУП “НПП ’’Мотор” и ОАО “Авиадвигатель” по доводке камеры сгорания для двигателя ГТП-10\953. В рамках этого сотрудничества рассмотрена возможность применения в стационарном двигателе ГТП-10/953 трубчато-кольцевой камеры сгорания базового авиационного двигателя Р13-300. При реализации данного проекта использован опыт применения трубчато-кольцевой камеры сгорания двигателя Д-30 в стационарных двигателях ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-6П.

Для организации горения в трубчато-кольцевой камере сгорания ГТП-10/953 была предложена технология управления “стехиометрией”, как на двигателях ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-6П. Эта технология

вдвигателях с кк -1 ... 10 позволяет получить требуемые уровни основных характеристик камеры:

-устойчивость горения в широком диапазоне изменения атмосферных условий эксплуатации ГТД;

радиальную и окружную неравномерность поля температуры на выходе из камеры сгорания 6> ^= 1,1, О акр= 1,2...1,25;

- температуру стенки жаровой трубы, соответствующую сплавам ВЖ-101 и ВЖ-98 (7W < 950 °С); - низкую эмиссию NOx < 50 мг/нм3, СО < 100 мг/нм3

Жаровая труба двигателя ГТП-10/953 была испытана на автономном стенде ОАО “Авиадвигатель” на режиме, соответствующем номинальному режиму работы двигателя. Для выяснения теплового состояния жаровой трубы камеры сгорания на её внешнюю поверхность была нанесена английская многопереходная термоиндикаторная краска ТР-10 производства Англии (с пределом измерения 280. ..1050 °С) и установлены 16 термопар типа Х-А (с пределом измерения 1300 °С). После испытания жаровой трубы распределение цветов краски на ее поверхности зафиксировано цифровым фотоаппаратом фирмы “Олимпус” с последующей компьютерной обработкой.

По показаниям термоиндикаторной краски квалифицированный инженер-камерщик может не только увидеть тепловое состояние камеры сгорания и оценить эффективность системы охлаждения, но и получить дополнительную информацию по организации процесса горения, эффективности работы фронтового устройства, стабилизации пламени, степени ассиметрии втекания воздуха в жаровую трубу через основные отверстия, формированию поля температур, образованию эмиссии СО и NOx.

В докладе приводятся результаты исследований и анализ результатов показаний английских термоиндикаторных красок при доводке малоэмиссионных камер сгорания промышленных двигателей ГТУ -2,5 П, ГТУ-4П, ГТУ-6П и ГТП10/953, созданных на базе авиационных ГТД Д-30 и Р13-300.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ С ЦЕЛЬЮ МИНИМИЗАЦИИ ЭМИССИИ СО, N O x И ДОСТИЖЕНИЯ ТРЕБУЕМОГО РЕСУРСА РАБОТЫ СТАЦИОНАРНОЙ ГТУ С п к = 7...10

Булатов А.И., Серов А.В. ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь

Одно из актуальных направлений конверсии авиационного двигателестроения - создание работающих на природном газе компактных и экономичных промышленных газотурбинных установок (ГТУ) на базе авиационных ГТД. Газовые турбины наземного применения должны удовлетворять строгим нормативам по выбросам загрязняющих веществ и иметь общетехнический ресурс работы не менее 100 000 часов.

При выборе технологии малоэмиссионного горения и конструкции камеры сгорания ее реализующей, следует исходить из эксплуатационного уровня параметров ГТУ, при которых требуется осуществить горение с низким уровнем эмиссий NOx, СО и НС на стационарных и переменных режимах работы ГТУ.

Режим работы конвертируемых двигателей может быть значительно снижен по сравнению с базовым ГТД. Это означает, что в совокупности с низкими температурами окружающего воздуха (до Тн=-50°С) - процесс горения должен протекать при низких температурах воздуха на входе в камеру сгорания.

Эксплуатационной особенностью двигателей для привода электрогенератора является наличие режимов резкого дросселирования с последующим восстановлением режима при “мгновенных” провалах нагрузки в электрической сети.

Главным фактором, определяющим образование NOx и СО, является температура. Только в очень узком интервале температур, между 1600... 1730 К, уровни и СО и NOx ниже установленных предельных. Поэтому, для уменьшения выхода NOx в первую очередь необходимо снизить температуру в зоне реакции, затем важно исключить локальные горячие области в ней и, наконец, время, в течение которого может происходить образование NOx, должно быть сведено к минимуму. Однако снижение и температуры пламени, и времени пребывания приводит к увеличению выхода окислов углерода и углеводородов.

При создании малоэмиссионной камеры сгорания возможны ситуации, когда конструктивные решения, связанные с уменьшением вредных выбросов, приводят к ухудшению ресурсных характеристик (полей температур, температурного состояния стенок жаровых труб, возникновению пульсациоиного горения и т.д.). Подобные обстоятельства требуют новых подходов к проблеме обеспечения ресурса ГТУ с малоэмиссионной камерой сгорания.

Вышеизложенные обстоятельства следует учитывать при выборе технологии малоэмиссионного горения в камерах сгорания промышленных ГТУ.

Для соответствия жестким экологическим нормам возможности уменьшения вредных выбросов в камерах сгорания наземных ГТУ традиционной схемы оказываются исчерпанными. Это предполагает радикальное изменение организации рабочего процесса в камере сгорания - переход к сжиганию предварительно подготовленной топливо-воздушной смеси “бедного” состава (LPP) или использование технологии “богатое” горение - быстрое разбавление - ’’бедное” горение (.RQQL).

Технология низкотемпературного горения (LPP) способна уменьшить концентрацию NOx до значений 25 ppm. Однако она конструктивно сложна в реализации и создает большие проблемы в эксплуатации (пульсационное горение, проскок пламени и самовоспламенение топлива в зоне предварительного перемешивания, сложность управления ГТУ, неустойчивость горения).

Камеры сгорания с технологией RQQL свободны от недостатков “бедного” горения по схеме LPP. Кроме этого, САУ, управляющая процессом горения, предельно проста - один дозатор, один коллектор. Однако применение технологии малоэмиссионного горения RQQL целесообразно для промышленных двигателей с высокими уровнями режимных параметров (як > 15, Тг > 1400 К).

Одним из возможных направлений создания малоэмиссионной камеры сгорания для промышленных ГТУ с термодинамическими параметрами як=7... 10 и Тг= 1100... 1200 К, решающей вышеперечисленные проблемы, является формирование в ней низкотемпературного режима горения путем соответствующего подвода струй воздуха по длине зоны горения топливовоздушной смеси. Этот способ уменьшения эмиссии СО и NOx успешно применен в промышленных двигателях ГТУ-2,5П, ГТУ-4П, ГТУ-6П и ГтПЮ/953, созданных на базе авиационных ГТД Д-30 и Р13-300. Эксперименты показали, что используя Данную технологию горения, можно достигнуть уровня эмиссии NOx и СО 50 мг/нм3 (15% 0 2).

В работе исследуется влияние способа подачи воздуха в зону горения через фронтовое устройство и отверстия в жаровой трубе камеры сгорания на величину эмиссии оксидов азота и углерода. Рассматривается организация процесса горения в камере промышленной ГТУ, оптимально решающая Проблему компромисса эмиссии СО и NOx, температуры стенок жаровой трубы и полей температур.