Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015
..pdfУДК 62-776.6
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ТЕЧЕНИЯ В МАСЛОПРОВОДАХ ГТД ПРИ ОЧИСТКЕ МАСЛОСИСТЕМЫ
Ю.А. Туктамышева, В.Р. Туктамышев
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
e-mail: juli24.perm@mail.ru
Описана значимость прокачки авиационного ГТД. Выбраны факторы манипулирования во время эксперимента. Решена задача исследования гидродинамического поведения жидкости в маслопроводе при различных температурных и динамических граничных условиях по давлению при помощи пакета Workbench ANSYS CFX. Описаны и проанализированы результаты.
Ключевые слова: маслосистема, пульсации давления, температура рабочей жидкости, граничные условия, сила воздействия на стенку.
Опоры авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) являются одним из самых уязвимых мест в его конструкции. Малейшее загрязнение или появление стружки в масляной системе авиационного ГТД может привести к отказу двигателя в полете, в лучшем случае – к дорогостоящему ремонту. После сборки или после ремонта авиационного ГТД масляную систему прокачивают до того момента, пока чистота масла не достигнет 9-го класса чистоты по ГОСТ 17216.
Представленная на сегодняшний день технология прокачки маслосистемы авиационного ГТД не всегда эффективна [1], трудоемка и не соответствует требованиям современного высокоэффективного производства. Требуется сократить затраты на процесс прокачки и увеличить производительность, качество, надежность прокачки ГТД. Физические основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений диктуют свои законо-
341
мерности. Равнодействующая сил, приложенная к твердой частице (в данном случае – загрязнения) со стороны установившегося потока жидкости, способствует ее отрыву от стенок трубопровода [2, 3]. В свою очередь частица сопротивляется воздействию данных сил. Во-первых, силой соединения частицы и стенки трубопровода. А во-вторых, силой тяжести. Для эффективной очистки трубопроводов необходимо обеспечить превышение суммы сил отрыва твердой частицы над суммой сил соединения с трубой.
Для подтверждения улучшения качества промывки и определения ее оптимальных режимов требуется разработать математическую модель на базе многофакторного эксперимента. В качестве воздействий, которыми можно управлять в процессе эксперимента (факторов эксперимента), необходимо принять [2]: давление масла (пульсации), температуру масла.
Необходим предварительный гидродинамический расчет параметров по давлению и температуре. Этот расчет возможно обеспечить пакетом ANSYS CFX. Поэтому поставлена цель – исследовать гидродинамическое поведение жидкости в маслосистеме ГТД при различных температурных и динамических граничных условиях, в частности: провести моделирование части трубопровода в условиях переменного давления и при трех различных температурах и в условиях постоянного давления (для сравнения результатов с существующим процессом), с рабочей жидкостью – масло МС-8п. Определить максимальную силу воздействия на стенку трубопровода жидкостью.
Рассматривается задача анализа гидродинамических характеристик потока масла МС-8п в маслопроводе диаметром 15 мм на участке длиной 300 мм. Конструкция трехмерная, ее твердотельная и сеточная модели построены с помощью средств препроцессора Ansys Workbench. Сформулирована следующая физическая модель:
1. Процессы рассматриваются в трехмерной динамической постановке.
342
2.Поток рассматривается однофазным: вязкая несжимаемая жидкость.
3.Принята k-Epsilon модель турбулентности.
4.Учитывается молярная масса (400 кг/кмоль), плотность (880 кг/м3), удельная теплоемкость (1,67 кДж/(кг·°С)), теплопроводность (0,13 Вт/(м·К)), вязкость (0,0044 кг/(м·с) – при
60 °С; 0,00352 кг/(м·с) – при 70 °С; 0,00264 кг/ (м·с) – при 80 °С)
рабочей жидкости – авиационного масла МС-8п [4].
5.При формировании физической модели были приняты следующие допущения: не учитывалось влияние гравитации, шероховатость стенок.
В соответствии с принятой физической моделью разработана математическая модель, которая базируется на законах сохранения массы, импульса, энергии и замыкается уравнениями состояния идеальной сжимаемой жидкости и турбулентности,
атакже начальными и граничными условиями (ГУ). Процесс изотермический при постоянной температуре жидкости 60 °С, скорость жидкости 10 м/с. Проведение вычислительного эксперимента проводилось 3 раза для трех различных температур (60, 70, 80 °С). ГУ для входа жидкости: распределение давления жидкости изменяется по синусу. Значение будет создаваться с использованием выражения
Рпик + Роп·sin(2π/0,5·t),
где Рпик – пиковое давление, атм; Роп – опорное давление, атм; t – временной интервал, с. ГУ для выхода жидкости: давление
жидкости 5 атм, с учетом опорного получится 6 атм. ГУ для стенки не задается, воздействие жидкости на стенку маслопровода отслеживаем по результатам расчета.
В ходе анализа полученных результатов было выявлено, что давление подается пульсационно, на протяжении полного периода синуса прошло две пульсации (задавалось, что 1 период длится 1 с). Для всех температур изменение поля распределения давления и векторов скоростей будет пульсационным, и они будут аналогичными. При рассмотрении распределения векторов
343
скоростей видно, что возникают турбулентность в пристеночном слое, обратные токи и изменение направления вектора скорости, а также изменение его численной величины (рисунок).
Рис. Распределение векторов скоростей при 0,375 периода, увеличенно
Следует отметить, что в зависимости от пульсаций давления изменяется и сила потока в пристенном слое. Например, при 0,5 периода значение силы по оси Y составляет 0,00031655 Н. В результатах для температур 60, 70, 80 °С наблюдаются различные значения силы для одного и того же значения периода.
В данной работе решена задача исследования гидродинамического поведения жидкости в маслопроводе при различных температурных и динамических граничных условиях по давлению. Проводилось моделирование части трубопровода в условиях переменного давления при температурах 60, 70, 80 °С, с рабочей жидкостью – маслом МС-8п. Получены характеристики потока: распределение давления, векторное распределение скорости потока, и определена максимальная сила воздействия на стенку трубопровода жидкостью – 0,003450 Н при 60 °С.
344
При решении задачи с постоянным давлением была определена максимальная сила воздействия на стенку трубопровода жидкостью, она составила 0,000609 Н при температуре рабочей жидкости 60 °С. Это на порядок меньше максимальной силы воздействия на стенку трубопровода жидкостью в условиях переменного давления. Поэтому для более качественной очистки маслосистемы необходимо применять пульсации давления и выдерживать оптимальную температуру рабочей жидкости.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0068 от 23.05.2013 г. в составе мероприятия по реализации Постановления Правительства РФ № 218).
Библиографический список
1.Туктамышева Ю.А. Анализ существующих и перспективных способов очистки масляной системы авиационного двигателя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2012. – № 33. – С. 124–138.
2.Коваленко В.П., Ильинский А.А. Основы техники очистки жидкостей от механических загрязнений. – М.: Химия, 1982. – 272 с.
3.Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя // ИЛ. – 1956. –
244 с.
4.Ачеркан И.С. Справочник металлиста. – Т. 1. – 2 изд. –
М., 1965. – 1008 с.
345
УДК 620.19
ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СКАНИРУЮЩЕГО ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД
М.А. Ганзен, А.Н. Самойлова
Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева, Рыбинск, Россия
e-mail: technology@rsatu.ru
Рассматриваются перспективы использования вихретокового контроля как базового метода выявления поверхностных и подповерхностных дефектов в ответственных деталях газотурбинной техники. Анализируется проблема перехода от ручного контроля к автоматизированному(сканирующему) вихретоковомуконтролю.
Ключевые слова: ГТД, деталь, дефект, вихретоковый контроль, сканирование, автоматизация.
Вихретоковый вид неразрушающего контроля получает все более широкое распространение в сфере производства и эксплуатации аэрокосмической техники. Это обусловлено очевидными преимуществами данного метода, такими как:
–универсальность, возможность применения для любых электропроводящих материалов (в том числе немагнитных алюминиевых, титановых, никелевых и других сплавов, керамики
икомпозитов);
–высокая производительность, обусловленная возможностью выполнения контроля на неподготовленных поверхностях (загрязненных, окрашенных), отсутствие расходных материалов;
–высокая чувствительность и достоверность, возможность контроля в труднодоступных местах изделий, что особенно важно привыполнениидиагностикидеталейиузловвэксплуатации.
Основными сферами применения вихретокового контроля являются дефектоскопия (выявление микротрещин), толщинометрия (в том числе измерение геометрических параметров по-
346
крытий) и структуроскопия (экспресс-анализ химического и структурного состава материалов, выявление дефектов структуры, шлифовочных прижогов) [1].
Сущность вихретокового контроля состоит в создании в поверхностном слое материала изделия вихревых токов с последующим замером параметров ответных электромагнитных импульсов, создаваемых вихревыми токами. Контрольно-измери- тельный прибор при этом состоит из вихретокового преобразователя (генератора и регистратора электромагнитных импульсов) и анализирующего блока. Как правило, для контроля используются накладные преобразователи, выполняющие точечное измерение, или проходные преобразователи, выявляющие дефект по изменению (градиенту) электрических параметров поверхности изделия, регистрируемому при перемещении преобразователя вдоль его поверхности. Контрольные операции обычно выполняются вручную (рисунок) или с помощью несложных присособлений (штанг, направляющих) [2].
Рис. Вихретоковый контроль трещин на кромках лопаток
В отличие от магнитопорошкового и капиллярного методов контроля, позволяющих выполнить контроль всех (открытых) поверхностей изделия погружением или напылением специальных реагентов, при вихретоковом контроле взаимодействие меж-
347
ду преобразователем и изделием происходит на небольшом участке поверхности, чаще всего площадью менее 1 см2. Это позволяет выявить дефекты малого размера, в том числе зарождающие, но в то же время требует довольно трудоемкой работы дефектоскописта по «ощупыванию» поверхности изделия преобразователем. Даже при наличии разработанной схемы (траектории) контроля затраты времени на контроль крупногабаритных изделий остаются весьма значительными, кроме того, при этом неизбежны погрешности измерения и пропущенные области.
При дефектоскопии изделий в эксплуатации эта проблема не столь актуальна, так как по опыту эксплуатации, как правило, известны типичные места образования дефектов и их расположение, благодаря чему область контроля на изделии может быть значительно сокращена. Однако при контроле отдельных изготовленных деталей, когда прогнозирование расположения дефектов затруднительно, проблема повышения производительности и достоверности вихретокового контроля становится очень актуальной, особенно в условиях крупносерийного производства.
Некоторый положительный эффект может быть достигнут за счет применения многокатушечных (матричных) преобразователей, которые, однако, являются весьма сложными, дорогостоящими и узкоспециализированными. В качестве альтернативы для контроля отверстий и внутренних поверхностей применяются вращающиеся вихретоковые преобразователи [3], проходящие вдоль поверхности изделия по спиральной траектории, что является более рациональным.
Как показывает практика [4], автоматизированный вихретоковый контроль продукции дает высокий технико-экономический эффект, однако на данном этапе он применяется в основном для сравнительно простых изделий: труб, рельсов, полос, листового проката.
Детали газотурбинной техники имеют более сложную форму, что, с одной стороны, усложняет автоматизацию контроля, а с другой – делает эту задачу еще более значимой. Для выполнения автоматизированного контроля деталей типа «тело вра-
348
щения» (валов, дисков, колец) можно использовать приспособления, аналогичные тем, что используются для контроля биений. Для призматических, корпусных деталей сложной формы или аэродинамических поверхностей потребуется более сложное оборудование (манипулятор и поворотное приспособление), обеспечивающее точное позиционирование вихретокового преобразователя и его многокоординатное (4–5 управляемых координат) перемещение. В такой ситуации для выполнения контроля логично использовать кинематику производственного оборудования, интегрируя измерительную систему непосредственно в многокоординатный обрабатывающий центр [5].
Для реализации автоматизированного вихретокового контроля деталей ГТД в первую очередь необходимо провести ряд экспериментальных исследований:
–определить максимально допустимую скорость перемещения преобразователя вдоль поверхности контролируемого изделия;
–определить влияние зазора между преобразователем и поверхностью и его колебаний на результаты измерений;
–определить влияние наклона преобразователя (отклонения от нормали к поверхности) на результаты контроля;
–определить влияние температуры поверхности изделия на результат контроля (при выполнении контроля сразу после механической обработки);
–оптимизировать траекторию движения преобразователя для возможности одновременного контроля разнонаправленных дефектов.
Библиографический список
1.Козлов Д.В., Игнатьев А.А. Экспериментальное исследование шлифованных валов вихретоковым методом // Вестник СГТУ. – 2011. – № 3. – С. 66–68.
2.Дефектоскопия усталостных трещин в деталях ГТД вихретоковым методом / А.М. Портер, С.А. Букатый, Д.П. Лешин,
349
М.В. Васильчук, А.А. Галицкий // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева. – 2012. – № 3–1 (34). – С. 196–202.
3.Дидин Г.А. Вихретоковая дефектоскопия дисков авиационных двигателей // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2012. – № 2. – С. 158–162.
4.Федосенко Ю.К. Автоматизированный вихретоковый дефектоскопический контроль массовой металлопродукции. Современное состояние и перспективы развития // Неразрушающий контроль и техническая диагностика: тез. докл. 18-й Всерос. конф. с междунар. участием. – М.: Спектр, 2008. – С. 134–135.
5.Патент РФ на полезную модель № 155261 МПК G01L1/00 Устройство для оперативного контроля шлифовочных прижогов / М.А. Ганзен, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «РГАТУ имени П.А. Соловьева». – № 2015108175/28, заявл. 10.03.2015, опубл. 27.09.2015.
350