Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2014

аб

Рис. 3. Собственные формы колебания: а – рабочего колеса вентилятора; б – диска рабочего колеса вентилятора

При преимущественных колебаниях диска формы колебания отдельно взятых лопаток различны и не поддаются принятой классификации (изгибные, крутильные и пластинчатыеформы колебаний).

Полученные результаты могут быть использованы при отстройке от резонансных колебаний, а также для верификации расчетных методик определения собственных частот и форм колебаний вентилятора.

КОНТРОЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПРЕССОРА СИСТЕМЫ ПОДОГРЕВА И НАДДУВА ИСПЫТЫВАЕМОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА

И.Н. Грибков, А.И. Полулях

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия e-mail: gribkov@avid.ru

Разработана система подогрева и наддува воздуха, которая состоит из модифицированного турбореактивного двухконтурного двигателя и газогенератора. Для обеспечения требуемых параметров температуры, давления и расхода воздуха на входе газогенератора предложена схема контроля устойчивости технологического компрессора с обратной связью, обеспечивающая увеличение диапазонабезаварийнойработысистемыподачивоздуха.

61

В настоящее время при разработке ГТД для сокращения сроков создания и снижения технических и финансовых рисков широко практикуется опережающая разработка и доводка ключевых узлов и технологий. Такой подход в полной мере применяется при разработке газогенератора как наиболее сложного и дорогостоящего агрегата ГТД, определяющего техническое совершенство двигателя в целом.

Для проведения исследовательских и доводочных испытаний необходимо обеспечить соответствие параметров воздуха на входе в испытываемый газогенератор параметрам полноразмерного двигателя. Для этих целей используется система подогрева и наддува воздуха (СПНВ).

СПНВ представляет собой систему, состоящую из модифицированного турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) без смешения потока, с организацией отбора воздуха из наружного контура, системы подвода воздуха, содержащую заслонку выхлопа и клапаны перепуска воздуха (воздуховод СПНВ) и испытываемый газогенератор (ГГ).

Весь воздух из наружного контура ТРДД через выходное устройство попадает в воздуховод СПНВ и на вход испытываемого ГГ. Заслонка выхлопа и клапаны перепуска воздуха могут обеспечить перепуск части воздуха в стендовую систему выхлопа.

При имитации параметров полноразмерного двигателя по температуре, давлению и расходу воздуха на входе в ГГ в результате различия технических характеристик имитируемого двигателя и ТРДД происходит неполное соответствие требуемых параметров на входе в испытываемый ГГ.

Для решения данной проблемы необходима совместная коррекция режима работы ТРДД и процента перепуска воздуха в стендовую систему выхлопа в зависимости от атмосферных условий на стенде и режима работы испытываемого ГГ. Существенным ограничением такого решения данной проблемы является сохранение газодинамической устойчивости компрессора низкого давления ТРДД в результате газодинамическойсвязи между элементамиСПНВ.

При исследовании напорных характеристик компрессора на специализированном стенде проводились высокочастотные измерения

62

пульсации давления за рабочими ступенями компрессора. При спектральном анализе сигнала был обнаружен ряд гармоник, амплитуда которых увеличивается по некоторому нелинейному закону по мере приближения к границе газодинамической устойчивости. Такое поведение пульсаций давления может быть положено в основу диагностического признака, по которому можно производить прямую оценку запаса газодинамическойустойчивости компрессора.

Существование данного диагностического признака позволяет применять схему контроля устойчивости технологического компрессора с обратной связью, структурная схема которого представлена на рисунке.

Рис. Структурная схема контроля устойчивости технологического компрессора

Ограничительный контур, основанный на данном диагностическом признаке, при приближении рабочей точки к границе газодинамической устойчивости снижает темп изменения управляющих воздействий (в зависимости от увеличения амплитуды гармоник в спектре сигнала пульсаций давления в компрессоре ТРДД) до полной их остановки.

Таким образом, использование данного диагностического признака в основе ограничительного контура позволяет производить прямую оценку запаса газодинамической устойчивости компрессора, что обеспечивает увеличение диапазона безаварийной работы СПНВ.

63

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ К ЗАДАЧЕ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ

ПЛАСТИН И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК В.А. Ефимик

Технологический департамент, ОАО «Мотовилихинские заводы», Пермь, Россия

e-mail: efimik_va@mz.perm.ru

Методом конечных элементов проведено численное моделирование свободных и вынужденных колебаний трех различных моделей звукопоглощающей конструкции авиационного двигателя из стеклопластика. С помощью прикладного пакета ANSYS установлена связь геометрических параметров звукопоглощающей панелиссобственнымичастотамииформамиколебаний.

Всовременном мире вопросы шумопоглощения в авиации имеют большое значение. Новые нормы по уровню шума ИКАО вынуждают производителей проводить работы по снижению шума авиационных двигателей, в частности, речь идет о создании новых звукопоглощающих конструкций или модернизации существующих. Но стоимость изготовления и испытания комплекта звукопоглощающих конструкций для натурного двигателя является очень высокой, и при проектировании и испытании глушителя, как правило, редко появляется возможность выполнить более одной попытки перед его внедрением в серийное производство.

Вданной работе ставится задача провести численный анализ свободных и вынужденных колебаний реальной звукопоглощающей конструкции, используя метод конечных элементов, Рассматривается звукопоглощающая панель авиационного двигателя. Материал конструкции – полимерный композиционный материал – стеклопластик. Звукопоглощающие конструкции в процессе эксплуатации подвержены воздействию гармонических нагрузок со стороны звуковой волны

иконструктивных элементов, с которыми они соединены.

64

Для решения задачи отклика данной ортотропной конструкции на гармоническое воздействие было рассмотрено три модели звукопоглощающей панели. Обоснованно выбрана вторая модель – двумерная многослойная оболочечная модель с эффективными характеристиками несущих слоев, не учитывающая ортотропию материала конструкции и учитывающая перфорацию поверхностей через осредненные эффективные свойства материала, заданные по слоям. По данной модели проведены дальнейшие расчеты. Получены значения собственных частот и собственные формы колебаний при действии гармонической нагрузки для моделей перфорированной, неперфорированной стеклопластиковой и углепластиковой панели. Построена зависимость максимальных перемещений точек конструкции от собственной частоты. Установлены закономерности влияния перфорации и эффективных свойств материала конструкции на собственные вынужденные частоты и формы колебаний.

В данной статье рассматривается звукопоглощающая панель, выполненная из полимерного композиционного материала – стеклопластика, состоящая из двух слоев полых трубчатых элементов прямоугольного сечения и заключенных в оболочку (рис.1) и имеющая перфорацию срединной и внутренней поверхностей.

Рис. 1. Двухслойная звукопоглощающая панель. Вид с торца

Рассматриваемые конструкции в процессе эксплуатации подвержены воздействию гармонических нагрузок как со стороны звуковой волны, так и со стороны конструктивных элементов, с которыми они соединены. На рис. 2 представлена двухслойная звукопо-

65

глощающая панель, стрелками показано направление воздействия звуковой волны, шумов на внутреннюю поверхность.

Рис. 2. Двухслойная звукопоглощающая панель

Диапазон частот, в котором исследуем данную конструкцию, – это слышимый человеком диапазон частот: от 20 до 20000 Гц. В качестве гармонической нагрузки P на внутреннюю поверхность звукопоглощающей панели S используется гармоническая нагрузка, спектральные составляющие которой равномерно распределены в исследуемом диапазоне, т.е. «белый шум», равный 133 дБ, что соответствует 100 Па.

Для проведения численного эксперимента используетя пакет конечно-элементного анализа ANSYS. Для проверки точности расчета, выполняемого пакетом ANSYS, проведено сравнение аналитического решения и решения, полученного данным пакетом численного расчета. По результатам проведенных тестов сделаны следующие выводы: пакет ANSYS решает задачу нахождения собственных частот и форм колебаний конструкций с достаточной точностью; количество конечных элементов влияет на точность численного решения, но незначительно; кривизна значительно влияет на значения низшей формы колебаний конструкции, и ее необходимо учитывать при выборе модели конструкции; геометрические размеры (ширина) оболочки влияют на собственные частоты конструкции. При увеличении ширины оболочки значение собственной частоты уменьшается.

66

Рассмотрены различные схемы анализа колебаний звукопоглощающей композитной панели: двумерная тонкостенная оболочечная модель, двумерная многослойная оболочечная модель с эффективными характеристиками несущих слоев, не учитывающая ортотропию материала конструкции и учитывающая перфорацию поверхностей через осредненные эффективные свойства материала, заданные по слоям; трехмерная структурно-неоднородная модель с перфорацией несущих слоев [1]. Для дальнейших расчетов обоснованно выбрана двумерная многослойная оболочечная модель с эффективными характеристиками несущих слоев, не учитывающая ортотропию материала конструкции и учитывающая перфорацию поверхностей через осредненные эффективные свойства материала, заданные по слоям.

Методом конечных элементов решается задача свободных [2] и вынужденных колебаний композитной панели. Моделирование перфорации осуществляется задаванием эффективных свойств материала по слоям конструкции. Для представленных механических моделей звукопоглощающей перфорированной панели исследовано влияние перфорации несущего слоя и эффективных свойств материала на распределение частотного спектра и форм колебаний композитной конструкции.

С помощью пакета ANSYS получены значения собственных частот и собственные формы колебаний в случае свободных колебаний [2] и при действии гармонической нагрузки – «белого шума», равного 133 дБ (100 Па). Построена зависимость максимальных перемещений точек конструкции от собственной частоты перфорированной панели из стеклопластика (рис. 3), неперфорированной панели из стеклопластика (рис.4) и перфорированнойуглепластиковойпанели (рис. 5).

Таким образом, исследовано влияние перфорации и материала конструкции на собственные вынужденные частоты и формы колебаний. При перфорировании конструкции спектр собственных частот конструкции сужается, но величина колебаний возрастает. При использовании материалов с более высокими жесткостными характеристиками спектр собственных частот конструкции расширяется, но величина колебанийуменьшается.

67

ω, Гц

Рис. 3. Спектр вынужденных колебаний перфорированной панели из стеклопластика

ω1, Гц

Рис. 4. Спектр вынужденных колебаний неперфорированной панели из стеклопластика

ω2, Гц

Рис. 5. Спектр вынужденных колебаний перфорированной панели из углепластика

68

Выводы

1.Пакет конечно-элементного анализа ANSYS решает задачу нахождения собственных частот и форм колебаний конструкций с достаточной точностью.

2.Количество конечных элементов влияет на точность численного решения, но незначительно.

3.Кривизна значительно влияет на значения низшей формы колебаний конструкции, и ее необходимо учитывать при выборе модели конструкции.

4.Геометрические размеры (ширина) оболочки влияют на собственные частоты конструкции. При увеличении ширины оболочки значение собственной частоты уменьшается.

5.Перфорация и материал конструкции влияют на собственные (свободные и вынужденные) частоты и формы колебаний конструкции.

Установленные закономерности позволяют целенаправленно корректировать динамические характеристики звукопоглощающих конструкций с целью совершенствования существующих и создания перспективных конструкций.

Список литературы

1.Ефимик В.А., Чекалкин А.А. Колебания звукопоглощающей перфорированной панели с системой ячеек трубчатого типа // Мех. композиц. матер. и конструкций. – 2007. – Т. 8, № 3. – С. 385–400.

2.Ефимик В.А., Чекалкин А.А. Анализ собственных колебаний звукопоглощающей перфорированной стеклопластиковой и углепластиковой панели с системой ячеек трубчатого типа // Вестн. Башкир.

ун-та. – 2012. – Т. 17, № 2. – С. 853–857.

69

МОДИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОХИНОНА

В.М. Зиновьев1,2, Б.В. Наумов1, А.Е. Головнин1,2

1Научно-исследовательский институт полимерных материалов, Пермь, Россия

2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

Гидрохинон (ГХ) входит в состав красителей, лекарственных средств, фотоматериалов, полимеров, а также используется в качестве ингибитора полимеризации виниловых мономеров и антиоксидантов для каучуков, пищевых продуктов, стабилизаторов при хранении растворителей. Разработана технологическая схема получения ГХ и отработаны параметры процесса. В качестве исходного сырья использованы анилин, серная кислота, бихромат натрия и гидразин гидрат. Полученные образцы ГХ соответствуют техническим требованиям высшего сорта, выход составляет 70–75 %.

ГХ применяют в качестве ингибитора полимеризации в производстве акриловых мономеров [1].

В настоящее время в России ГХ не производится. Для обеспечения потребности предприятий в ГХ разработан технологический процесс получения ГХ с использованием следующих методов:

–гидроксилирование фенола 70%-ной перекисью водорода (катализатор – 75%-ная фосфорная или 65%-ная хлорная кислоты). Недостатком способа является сложность реализации периодического процесса вследствие низкой 45–65 % конверсии фенолов при селективности 60–70 % [1,2];

–окисление 1,4-диизопропилбензола кислородом воздуха или перекисью водорода с последующим кислотным гидролизом до ГХ. Данный способ получения освоен фирмой «Гудиер Риббер» (США)

в1975 г. [5]. Недостатком предлагаемого способа является сложность аппаратурного оформления [3,4,5] и необходимость утилизации двух молейацетона на каждыймольобразующегосяГХ[3,4];

70