Сборник 70 студ конференции БГТУ

701

А.И. Мельников ДВИГАТЕЛИ, РАБОТАЮЩИЕ НА АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

Объект исследования: топлива для транспортных средств. Результаты, полученные лично автором: проанализированы перспективные виды энергии для транспортных наземных средств.

До сих пор, подавляющее большинство автомобилей - это автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на бензине или дизельном топливе, получаемых из нефти. Однако резкое подорожание нефти в последнее время в сочетании с озабоченностью ростом вредных выбросов, которые производят автомобили, загрязняя атмосферу (особенно остро эта проблема стоит в крупных городах) привела к мысли правительства многих стран и автомобильные компании искать замену традиционному топливу. В связи с этим в последнее время тема об альтернативных видах топлива стала очень модной и эти самые автомобили на альтернативном топливе появляются всё в больших и больших количествах. На самом деле их "альтернативность" не так уж и велика, так как в большинстве случаев получается тот же автомобиль с ДВС , работающих на тех же принципах, только топливо представляет собой

не бензин, полученный из нефти, а скажем, этанол или что-то в этом роде. Наибольшее распространение получили следующие двигатели на

альтернативных источниках энергии, такие как:

работающие на сжатом воздухе. Первый экспериментальный легковой «воздушный» автомобиль был представлен в Лос-Анджелесе в 1932 году. К этой разработке быстро охладели, поскольку пневмодвигатели с бензиновыми моторами тогда конкурировать не могли. Прямо скажем, не могут и сейчас

двигатели на растительном масле. Это двигатели, работающие с подачей к запальному дизельному топливу растительных дешевых масел, например, рапсового, которое можно получать в сельском хозяйстве.

работающие на топливе с водородной основе. В настоящее время автомобили, которые работают на водородном топливе, можно разделить на три группы.

Первая – это авто с самым обычным двигателем, который работает

или на водородной смеси или на водороде.

Второй тип - это двигатель работает на смеси водорода с бензином или просто работающий на водороде.

Третий вид – это уже реальный водородный автомобиль. В нем встроен электродвигатель, который питается от основного топливного элемента.

двигатели на воде, то есть на топливных элементах, в которых происходит расщипление воды на водород и кислород.

702

электрические двигатели, у которых имеются мощные аккумуляторные батареи. Недостатком у них является то, что по пути следования необходимо иметь подзаряжающие подстанции, так как мал запас для пробега.

гибридные двигатели. Это совмещение двигателей электрических и традиционных, работающих на бензине или дизтопливе. При разгоне используется электродвигатель, имеющий высокий крутящий момент при малой частоте вращения, а затем используется обычный ДВС. При этом подзаряжаются аккумуляторные батареи для электродвигателя.

спиртовые двигатели. Они применяются в тех регионах, где очень мало углеводородов (нефти), например, в Бразилии.

двигатели на топливных гранулах (биомасса). Это двигатели, которые могут использовать отходы иных производств. Например, лесной промышленности. Перерабатывая стружку, отходы, опилки с помощью нагрева, электрических микроволн в генераторные газы можно получать топливо.

двигатели на солнечной энергии. Этот неиссякаемый, но в то же время нерегулярный, источник энергии в последнее время вновь привлек внимание исследователей, использующих для самых различных его применений различные устройства. Обычно конечной целью является выработка электрической энергии, которую можно использовать разными способами, даже в пилотируемом космическом полете.

двигатели на кинетической энергии. Это инерциоиды, или маховики. Они накапливают энергию и потом по мере надобности отдают их потребителям. С большим маховиком и двигатель внутреннего сгорания не нужен. Энергию можно запасать и на энергозаправках, мощными электродвигателями разгоняя один или несколько маховиков. Они находятся в герметичном безвоздушном пространстве, и подвешены на мощных магнитах. Их называют супермаховиками, так как они запасают энергии в тысячи раз больше обычных маховиков. Изобрёл их 50 лет назад русский учёный Н. Гулиа, но массово они не применялись. Только единичные кустарные разработки – тележки, заменявшие электрокары.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» В.Г. Новикова.

М.А.Новиков МОТОЦИКЛЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РЕЕЧНО-ЗУБЧАТЫМ

ЗАЦИПЛЕНИЕ

Объект исследования: двигатель МТ-11 с БКШМ Результаты, полученные лично автором: исследован и проработан

вариант установки БКШМ на оппозитный мотоциклетный двигатель без изменения картера.

703

В настоящее время все двигателестроительные фирмы в условиях постоянной конкуренции стремятся к повышению качества своей продукции: технико-экономических и экологических показателей двигателей, их ресурса, надежности. Поэтому периодически возникает необходимость модернизации или создания новых двигателей, отвечающих тем или иным требованиям.

Одним из вариантов повышения мощности ДВС является замена преобразующего механизма (ПМ). В настоящее время наиболее распространенным является кривошипно-шатунный преобразующий механизм, который обладает рядом недостатков, что ограничивают возможности двигателя внутреннего сгорания в мощностном диапазоне. Достойной заменой данного преобразующего механизма может служить реечно-зубчатый механизм преобразования энергии возвратно поступательно движения поршня во вращательное движение приводного вала. Кроме того установка данного ПМ на серийные двигатели в ряде случаев возможна без изменения конструкции блок-картера, что позволяет с минимальными затратами ввести данный ПМ в серийную эксплуатацию.

Так как установка данного преобразующего механизма на рядные V- образные и другие различные типы двс требует конструктивных изменений в устройстве двигателя, что потребует не малых затрат, то наиболее экономически выгодным является его установка на оппозитные типы двигателей. которые ввиду своей конструкции позволяют применять данный преобразующий механизм без каких либо изменений основных частей ДВС. Так же затраты на изготовление БКШМ и приводного вала значительно меньше чем для стандартного КШМ.

Для изучения данного ПМ была проработана возможность конструктивной установки его на двигатель МТ-11. При помощи 3D графики были смоделированы все узлы и агрегаты данного двигателя.

Двигатель МТ-11 является наиболее подходящим для исследования и испытания данного ПМ, в виду своей конструктивной особенности которая позволяет без изменения рабочего процесса и доработки конструкции установить на него данный ПМ.

Работа выполнена под руководством проф.каф. «Тепловые двигатели» Ю.И.Фокина

М.А.Новиков ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ПРОЕКТОВ

НА КОНКУРС «У.М.Н.И.К.»

Объект исследования: подготовка проектов к конкурсу «У.М.Н.И.К.». Результаты, полученные лично автором: выявлены основные подходы и

особенности к выполнению проектов на конкурс «У.М.Н.И.К.».

Программа «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» направлена на выявление и поддержку молодых ученых. Целью программы является выявление молодых учёных, стремящихся

704

самореализоваться через инновационную деятельность, и стимулирование массового участия молодежи в научно-технической и инновационной деятельности путем организационной и финансовой поддержки проектов.

Программа поддерживает выполнение молодыми учеными и специалистами (до 28 лет включительно) научно-технических проектов, ориентированных на среднесрочную перспективу (3-6 лет) эффективной коммерциализации научных результатов. Победителем Программы можно стать только один раз.

Отбор участников осуществляется по пяти тематическим направлениям Программы: конкурсы проводятся в два этапа. Победитель проекта получает 400 000 тыс руб .Финансирование проектов осуществляется поэтапно в течение 2-х лет в размере 200 тыс. рублей в год по грантовой системе.

Данный конкурс проходит 2 раза в год, весной и осенью. Для участия в конкурсе необходимо подать заявку на участие, тезисы статьи, и подготовить перзентацию проекта. Теперь рассмотрим различные аспекты подготовки в данного рода конкурсу.

Проекты, представленные участниками программы, должны отвечать следующим критериям: новизна и актуальность, техническая значимость продукции или технологии, реальность коммерческой реализации проекта.

Для участия в проекте необходимо подготовить презентацию в котрой нужно указать; актуальность идеи, предлагаемое решение, обоснование научной новизны проекта, техническая значимость, перспектива коммерциализации результата НИОКР, план реализации проекта, защита прав на интеллектуальную собственность, партнеры, заинтересованные организации, смета на закупку материалов и оборудования,ФИО и контакты.

Тема проекта для данного конкурса должна быть актуальной, а конечный продукт должен быть реализован в кратчайшие сроки с минимумом затрат. Для этого темы не должна быть масштабной так как для ее реализации потребуется большое количество затрат.

Работа выполнена под руководством ст. преп. каф. «Тепловые двигатели» С.А. Киселева

Новиков Р.А.

РАСЧЕТ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА МОДЕЛИ БКШМ

Объект исследования: модель БКШМ с зубчато-реечным зацеплением. Результаты, полученные лично автором: разработан алгоритм

упрощенного расчета системы газораспределения модели БКШМ.

На кафедре «ТД» БГТУ был разработан и запатентован бескривошипношатунный преобразующий механизм с зубчато-реечным зацеплением. Для более тщательного исследования данного механизма было принято решение спроектировать модель БКШМ из оргстекла, приводящаяся в движение от сжатого воздуха. Основной целью её создания является снятия различных характеристик, для дальнейшего совершенствования конструкции.

705

Для реализации поставленной задачи на начальном этапе важно правильно рассчитать и построить систему подачи и распределения сжатого воздуха от компрессора. Основными параметрами для нас являются давление в цилиндрах и размеры органов газообмена. Поэтому задача сводится к определению диаметров трубопроводов и гидравлических потерь на участках пневмосети. Расчет выполняется в следующем порядке. Составляется схема сети. Для упрощения расчетов вводятсянеобходимые поправки: система полностью герметична (т.е. нет утечек) и теплоизолирована, местные сопротивления мы заменим условными прямыми участками, эквивалентными по сопротивлению, причем диаметр всех каналов одинаковый. Сопротивление ГРМ примем приблизительно равным сопротивлению отвода. Составляется уравнение сохранения энергии для реального потока газа.Так как положение модели и диаметр трубы не изменяются, скорости в сечениях будут равны.Тогда данное уравнение будет выражать падение давления в газовоздушном тракте. Данная величина связана со всевозможными потерями при передаче сжатого воздуха от компрессора к БКШМ. Потери напора (давления) в потоке вызываются гидравлическим сопротивлением двух видов: местными потерями и сопротивлениями по длине (линейными потерями). Линейные потери давления при равномерном движении несжимаемой среды вычисляются по формуле Дарси-Вейсбаха.Местные потери вычисляются по формуле Вейсбаха.Коэффициенты местных сопротивлений определяются опытным путем, и сведения об этом имеются в специальной литературе. Так как принцип наложения потерь справедлив для всей сети в целом, суммарное гидравлическое сопротивление будет равно сумме всех потерь.

Таким образом, часть энергии сжатого воздуха теряется при транспортировке. Общая потеря давления от компрессора до потребителя не должна превышать 5-10 % от величины рабочего давления на компрессоре.

Зная давление в цилиндре можно по закону Паскаля рассчитать усилие на поршень.

Работа выполнена под руководством ст. преп. каф. «Тепловые двигатели» С.А. Киселева

Я.Я. Пядышева СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ГТД В

СОСТОЯНИИ РЕМОНТА

Объект исследования: система диагностированияГПА.

Результаты, полученные лично автором: разработаны интеллектуальные методы диагностики ГПА.

Комплексная оценка технического состояния сложных технических систем базируется на структурировании, анализе надежности структурных элементов и динамических методах контроля. Во многом результат диагностирования технического состояния ГПА предопределяется

706

правильностью подбора наиболее информативных параметров контроля: вибрация, перепады давления, температур, эффективных КПД и др., а так же корректностью построения принципиальных диагностических моделей и методик распознавания.

Всилу сложности и многокомпонентности объекта диагностирования задача выявления и предупреждения неисправностей сводится не только к контролю значений каждого параметра агрегата по отдельности. Выявление

ипредупреждение неисправностей установки может быть осуществлено только на основе анализа как системы в целом, так и ее структурных компонентов, также являющихся, в свою очередь, сложными системами. В частности, характерным признаком появления неисправности может являться не только критическое значение определенных параметров, но и динамика их изменения в рамках допускаемых технической документацией значений.

Взаимосвязь изменения параметров, наличия неисправностей и причин их возникновения имеет сложный характер. Для моделирования такого рода зависимостей более всего подходят методы искусственного интеллекта (ИИ), позволяющие описывать причинно-следственные связи между данными как числовой, так и нечисловой природы. Также зависимости между параметрами могут иметь неявный характер, а система, оперирующая такими параметрами, должна предусматривать возможность неточностей и частичных неопределенностей в описании причинно-следственных связей.

Этот метод может быть использован для диагностирования газоперекачивающих агрегатов (ГПА), служащих для перекачивания природного газа через магистральные газопроводы. Система диагностирования газоперекачивающих агрегатов (ГПА) содержит подсистемы параметрической, вибрационной, визуально-оптической, ресурсной и экспертной диагностики состояния ГПА, соединенные с блоком формирования перечня параметров предельно-допустимого уровня эксплуатации ГПА. В систему дополнительно введены блоки и подсистемы, обеспечивающие формирование графиков очередности вывода ГПА в ремонт “по состоянию”, дефектных ведомостей, заявок на запасные части, комплектование объемов и типов ремонтных материалов, расчет стоимости и сроков выполнения ремонтов, построение для них сетевых графиков, проведение функционально-стоимостного анализа (ФСА) состояния ГПА с учетом финансовых, ресурсных и временных ограничений на выполнение ремонтных работ. Блок окончательного формирования очередности и объемов ремонтов связан с подсистемой ФСА и с блоком контроля сроков и качества ремонтно-восстановительных работ Технический результат - повышение информативности и точности диагностирования ГПА. Расширение функциональных возможностей системы диагностирования обеспечивает возможность формирования на ее основе системы непрерывного технического обслуживания и ремонта (СНТОР) ГПА “по состоянию”.

Всистемах, связанных с производством, транспортом и распределением энергоносителей, в частности, в газотранспортных системах ОАО “Газпром”

707

актуальной является задача управления риском, т.е. поддержания его значения на уровне, допустимом и обоснованном по экономическим и социальным критериям. Решение этой задачи требует разработки эффективных методов и систем диагностирования ГПА (наиболее сложной, нелинейной и “рискообразующей” части газотранспортной системы), позволяющих определять переменные состояния ГПА, являющиеся предвестниками критического (аварийного) состояния и проводить ремонты ГПА “по состоянию”, обеспечивая тем самым управление риском при минимизации финансовых, технических и временных затрат.

В настоящее время все большее значение приобретают гибридные интеллектуальные системы принятия решения, комбинирующие различные модели представления знаний. Для решения задачи диагностики неисправностей ГПА. Разработанный программный комплекс GAZDETECT для диагностики неисправностей ГПА основан на гибридной интеллектуальной системе. Основными компонентами системы являются искусственная нейронная сеть (ИНС) и подсистема нечеткого вывода.

ИНС служит для выявления неисправностей на основе значений и динамики изменения параметров ГПА. Полученные степени уверенности в совокупности с уже поданными на вход ИНС параметрами используются подсистемой нечеткого вывода для выявления возможных причин возникновения неисправностей. Имеет структуру трехслойного персептрона, обученного алгоритмом обратного распространения ошибки. Обучающая выборка была составлена на основе норм технологического проектирования магистральных газопроводов и мнений экспертов - специалистов по техническому обслуживанию ГПА.

Подсистема нечеткого вывода позволяет на основе параметров ГПА и степеней уверенности в наличии определенного вида неисправностей получить степени уверенности в характерных эксплуатационных или иных причинах отказов.

Работа выполнена под руководством доц каф. «Тепловые двигатели» В.Т. Перевезенцева

Б.Е. Гулянов, А.В. Рытиков МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОХЛАЖДАЕМЫХ

ЛОПАТОК ВЫСОКОТЕМПИРАТУРНЫХ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Объект исследования: Исследование наилучших материалов для сопловых и рабочих лопаток. Современные системы охлаждения лопаток.

Результат, полученный лично авторами: Огромный прогресс в параметрах турбины и долговечности сопловых и рабочих лопаток достигнут с внедрением в практику сплавов с направленной кристаллизацией и монокристаллических сплавов. Конвективный теплообмен вносит важнейший вклад в эффективность системы охлаждения любой лопатки с интенсивным использованием пленки на наружной поверхности. Наибольший

708

эффект от увеличения поверхности теплообмена теоретически может быть достигнут при пористом охлаждении лопаток.

Материалы сопловых и рабочих лопаток должны быть не только жаропрочными, но и жаростойкими, то есть устойчивыми против коррозии в атмосферных условиях и в газовой среде при рабочей температуре.

Кроме жаропрочности и жаростойкости, материал лопаток газовых турбин должен обладать малой чувствительностью к концентрации напряжений, противостоять термической усталости, удовлетворительно обрабатываться, иметь приемлемую стоимость. Для литья сопловых и рабочих лопаток с 1960-х годов в России применяются никелевые сплавы ЖС-6К, ЖС-6Ф, ЖС-6УВИ. Эти сплавы рекомендуется применять до температуры 1050...1100 К.

Основная идея сплава с направленной кристаллизацией состоит в ликвидации границ между зернами, перпендикулярных направлению центробежных сил. То есть исключения возможностей для ползучести и разрушения на границах зерен. Монокристаллическая деталь вообще не имеет границ зерен, поэтому она имеет оптимальные характеристики прочности.

Лопатки, полученные методом направленной кристаллизации, имеют увеличенную в 2,5 раза прочность, увеличенную в 6 раз стойкость к термоусталости и увеличенную в 2 раза стойкость к окислению и коррозии. Для монокристаллической лопатки прочность и стойкость к термоусталости улучшаются соответственно в 9 раз, а стойкость к окислению и коррозии в

3,5 раза.

Преимущества монокристаллического литья реализуются за счет удорожания материала и увеличения массы лопатки примерно на 20%.Жаропрочные лопаточные сплавы (наряду с системами охлаждения) являются основным двигателем прогресса в обеспечении работоспособности турбины при увеличении температуры газа. Очень важно, что применение новых сплавов (направленной кристаллизации, монокристаллических) на практике доказало целесообразность их применения по критерию стоимостьэффективность.

Для больших расходов воздуха конвективная схема реализуется с трудом (из-за ограничений по пропускной способности лопатки). При малых расходах воздуха трудно реализовать пленочное охлаждение (из-за нехватки воздуха на пленку). Для ориентировочных расчетов может быть использована обобщающая формула для оценки эффективности охлаждения лопатки в зависимости от расхода охлаждающего воздуха.

В основной на сегодняшний день схеме охлаждения рабочих лопаток петлевой с многочисленными «ходами» охлаждающего воздуха (подробно рассмотренными в следующем разделе) используются оба основных способа конвективного охлаждения. Это струйное охлаждение внутренней поверхности входной кромки через литые отверстия во внутренней стенке и течение в длинных (с многочисленными поворотами на 180 градусов) внутренних каналах с поперечными пристеночными ребрами.

710

Рис.1. Цикл Стирлинга: а-p-V- и Т-S- диаграммы; б-положения поршней в основных точках цикла; в-диаграмма «время-перемещение»

Основное преимущество цикла Стирлинга перед циклом Карно заключается в замене двух изоэнтропических процессов двумя процессами при постоянном объеме, что значительно увеличивает площадь на p-F- диаграмме. Поэтому для получения достаточной работы в цикле Стирлинга не требуется создавать очень высокие значения давлений и вытесняемых объемов, как в цикле Карно.

Отношение эффективного КПД двигателя с циклом Стирлинга к термическому КПД цикла Карно называется относительным КПД, т. е.

В хорошо сконструированном двигателе коэффициент ηотн превышает

0,4.

Рис. 2. Циклы Стирлинга и Карно для одних и тех же значений максимальной и минимальной температур, давлений и объемов. Заштрихованные площади на p-V- и T-S-диаграммах характеризуют соответственно приращения внешней работы и количества теплоты в цикле Стирлинга

В холодильной машине, работающей по обратному циклу Стирлинга, теплота отводится из холодной полости в процессе расширения. Работа сжатия как для теплового двигателя, так и для холодильной машины одна и та же. Работа расширения в холодильной машине меньше работы сжатия, поэтому для реализации цикла Стирлинга необходима энергия, подводимая от внешнего источника. В холодильной машине теплота отводится хладагентом, поэтому требуется затрата внешней работы.

Эффективность работы холодильной машины оценивается холодильным коэффициентом, равным отношению отводимой теплоты к работе, затраченной на цикл: Тохл /(Тмин-Тохл).

При одних и тех же температурных условиях холодильный коэффициент циклов Стирлинга и Карно одинаков, а холодопроизводительность цикла Стирлинга при заданных давлении и объеме намного больше, чем цикла Карно.

Одна из основных причин, затрудняющих использование двигателей Стирлинга с коммерческой целью – это ограничение конструкционных