Сборник 70 студ конференции БГТУ

711

материалов, так как некоторые части двигателя (нагреватель и полость расширения) постоянно подвергаются воздействию высокой температуры.

Непрерывное возвратно-поступательное движение отдельных узлов двигателя, не изотермичность процессов сжатия и расширения, ограниченная возможность теплопередачи в холодильнике и нагревателе, потери теплоты с выхлопными газами, гидравлическое сопротивление – основные причины, ограничивающие в большинстве случаев возможности конструкторов осуществить желаемое в реальном двигателе Стирлинга. Этому есть и другие причины: неудовлетворительная работа регенератора, большие механические потери, выравнивание температур как следствие относительно массивных теплопроводных частей двигателя и утечки рабочего тела, обусловленные несовершенством конструкции или неудовлетворительной работой уплотнений.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» Е.В. Дмитриевского

В.В. Тараканов ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ В СИСТЕМАХ

ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТОПЛИВОПОДАЧЕЙ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Объект исследования: микропроцессорное управление дизельными двигателями

Результаты, полученные лично автором: проработана современная литература по данному вопросу, разобраны принципы управления, рассмотрены системы топливоподачи, сделаны выводы.

Управление процессом топливоподачи в дизелях транспортного назначения может рассматриваться как одно из важнейших средств улучшения топливной экономичности и уменьшения количества выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ). Применение систем автоматического регулирования и управления (САР и САУ) позволяет существенно улучшить показатели дизелей путем согласования характеристик различных систем комбинированного двигателя, обеспечения их работы на оптимальных режимах, корректирования законов управления в зависимости от параметров окружающего воздуха и свойств применяемого топлива.

Микропроцессорная система управления (МПСУ) двигателем состоит из объекта управления — двигателя — и микроконтроллера с входящими в него микропроцессором, датчиковой аппаратурой и исполнительными устройствами. На основании введенной в микропроцессор информации формируется комплекс управляющих воздействий. Исполнительные устройства содержат силовую электронику и исполнительные механизмы, осуществляющие комплекс управляющих воздействий микроконтроллера на двигатель.

712

Основная цель применения МПСУ — оптимизация управления двигателем. В число непосредственно управляемых технических показателей двигателя входят: крутящий момент, частота вращения, давление и температура в системах топливоподачи, наддува, смазки, охлаждения, содержание кислорода в ОГ, главный из экономических показателей текущий и эксплуатационный расход топлива, масла, воздуха, воды. Непосредственно управляемы следующие экологические показатели: состав и количество вредных выбросов, уровень и спектр шума и вибраций.

Всистемах топливоподачи разделенного типа дозирование топлива и управление топливоподачей осуществляются непосредственно в насосной секции ТНВД с помощью электронного регулятора, воздействующего на дозирующую рейку ТНВД.

На ряде ТНВД устанавливают и регуляторы угла опережения впрыскивания топлива.

Втопливной аппаратуре неразделенного типа ТНВД и форсунка объединены в один узел — насос-форсунку. Впрыскивание осуществляется электроуправляемыми насосами-форсунками после поступления управляющего сигнала от электронного блока. При этом функции дозирования и фазирования топливоподачи также возложены на насосыфорсунки.

Ваккумуляторных системах топливоподачи высокое давление топлива создается в аккумуляторе, откуда оно через короткие топливопроводы подается к форсункам. Управляющий сигнал, подаваемый на форсунки, формируется электронным блоком с учетом сигналов от датчиков режимных параметров. Кроме того, блок формирует управляющее воздействие для исполнительного устройства регулятора давления топлива после ТНВД Такая схема CАУ обеспечивает независимость параметров топливоподачи от скоростного и нагрузочного режимов и возможность формирования практически любого требуемого закона управления, в том числе многофазным впрыскиванием.

Работа выполнена под руководством проф. каф. «Тепловые двигатели» А.А. Обозова

А.Д. Федотов ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА КОМПРЕССОРА

НА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГТУ

Объект исследования: ГТУ.

Результат исследования: появление забоин на лопатках компрессоров ГТУ приводит к значительному усложнению картины обтекания профилей рабочих и направляющих лопаток. Гидравлические потери при этом значительно возрастают и эффективность процессов сжатия снижается.

Нарушение конфигурации профилей приводит к нарушению картины обтекания лопаток. Расход воздуха в соседних межлопаточных каналах при

713

наличии забоины уменьшается из-за увеличения площади проходных сечений, всасывающая способность «испорченного» профиля падает и, соответственно, скорость на выходе из межлопаточного канала понижается. В каналах ступени образуется «вращающийся срыв», который из-за увеличения углов атаки приводит к снижению всего лопаточного венца в месте нахождения забоины.

Врезультате появления забоины на лопатках приводит к неравномерности поля скоростей и давлений как за рабочим колесом, так и за направляющим аппаратом в радиальном и окружном направлениях.

Для того чтобы оценить потери в решетке профилей при наличии зачищенных забоин, используются результаты газодинамического расчета двигателя и его компрессора. Далее осуществляется расчет ступеней компрессора по среднему диаметру, а затем по высоте лопаток. Результаты этого расчета являются исходной базой для конструирования профилей по высоте лопаток и оценки влияния повреждений на основные параметры ступени компрессора, так и на технико-экономические показатели ГТУ в целом.

Впроцессе эксплуатации газотурбинной установки отложения на решетках компрессора приводят к росту осевого усилия ротора и потерь энергии теплоносителя, уменьшению его расхода, снижению экономичности

инадежности энергоустановок, что указывает на необходимость применения современныхвоздухоочистительных комплексов и качественных видов топлива в ГТУ, регулярного контроля уровня загрязнения проточной части и своевременной ее очистки.

Климатические факторы оказывают значительное влияние на экономичность и развиваемую электрическую мощность при эксплуатации ГТУ и ПГУ. Изменение мощности может достигать 15 % и более, КПД ГТУ до 4 % (отн.) по сравнению с расчетным режимом. Аэродинамическое сопротивление газовоздушного тракта ГТУ в первую очередь связано с сопротивлением котла-утилизатора и загрязнением фильтров КВОУ на впуске воздуха в компрессор. Снижение электрической мощности ГТУ при увеличении сопротивления КВОУ может достигнуть 1,3 %, КПД ГТУ 0,5 % (отн.).

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» А.В. Осипова.

К.А. Чужинов БАЛАНСИРОВКА РОТОРОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН ГПА

Объект исследования: низкочастотная и высокочастотная балансировка роторов ГТУ.

Результат исследования: использование обоих видов динамической балансировки (низкочастотной и высокочастотной) применительно к одному ротору ГТУ позволяет максимально снизить вибрацию и,

714

соответственно, значительно увеличить срок безаварийной эксплуатации

-по числу плоскостей коррекции – одно-, двух- и многоплоскостная балансировка;

-по измеряемому параметру – амплитуды и фазы перемещения,

коррекции от измеряемых параметров – экспериментальный (метод пробных пусков), расчетный, экспериментально-расчетный.

Основными методами балансировки жестких роторов в сборе являются методы низкочастотной динамической балансировки в одной или двух плоскостях коррекции. Определение дисбалансов в плоскостях коррекции устанавливают методом пробных пусков или путем предварительного расчета.

Для достижения 1-го и 2-го классов точности балансировки жестких и квазигибких роторов применяют метод высокочастотной балансировки роторов на месте установки. Как правило, балансировку проводят в одной или двух плоскостях коррекции методом пробных пусков по измерениям амплитуд вибраций корпуса или опорных стоек. Высокочастотную балансировку гибких роторов на месте установки выполняют экспериментально-расчетными методами.

Совершенство метода балансировки определяется значением достижимо го статочного дисбаланса в плоскости коррекции, коэффициентом уменьшения дисбаланса за одну корректировку масс и продолжительностью балансировки.

Выбор метода балансировки зависит от технических требований на балансировку, организационных и экономических условий данного производства. Метод балансировки выбирают на стадии проектирования ротора, доводочных испытаниях и технологической подготовки производства.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» В.М. Шкодина.

715

И.А.Шанов СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

ГТУ ПРИ РАБОТЕ

Объект исследования: методы технической диагностики, используемые в ГТУ в процессе работы.

Результат, полученный лично автором: анализ нижеперечисленных методов диагностики. Все они являются наиболее применяемыми в газовой промышленности, требуют тщательный контроль работы специалистами. Также, были рассмотрены перспективные методы диагностики.

Трибодиагностика.

Методы диагностирования, основанные на анализе продуктов износа, содержащихся в масле, называются методами трибодиагностики. Эти методы базируются на принципе обнаружения, улавливания и удержания металлических частиц износа:

•магнитные пробки (улавливание);

•электрические детекторы, вырабатывающие сигнал при замыкании электродов частицами;

•спектральный анализ масла;

•анализ изменения формы частиц, их поверхности;

•рассеивание и ослабление пучка света при прохождении через поток масла;

•анализ изменения вязкости масла.

Анализ продуктов износа материалов деталей ГТУ в продуктах сгорания.

Разрушение деталей проточной части ГТД сопровождается выносом из ГТД вместе с газовым потоком мельчайших частиц металла. Поэтому начало разрушения и его характер, можно определить, регистрируя продукты износа и их состав.

Анализ температурного состояния деталей.

Температурные напряжения и их изменения при эксплуатации являются одним из источников повреждений элементов конструкции горячей части ГТУ. Контроль возможен путем прямого измерения температуры или косвенного (по температуре потока, омывающего этот элемент). Наиболее широко применяют для прямого контроля температуры нагретого элемента пирометры, реализующие оптический метод.

Вихретоковый контроль.

Позволяет выявлять только поверхностные дефекты. Метод основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля.

Виброакустическое диагностирование.

В качестве диагностических сигналов используются механические колебания, возникающие при функционировании ГПА.

Диагностирование по термогазодинамическим параметрам.

716

Является одним из наиболее распространенных и эффективных методов оценки его технического состояния. Этим методом оценивается способность ГТД обеспечивать выполнение основных функций – создавать требуемую тягу или мощность.

Перспективные методы диагностирования состояния проточной части

ГТД.

Метод электростатического диагностирования.

Основан на регистрации разности потенциалов, возникающей между чувствительным элементом электростатического датчика и корпусом ГТД в результате выноса газовым потоком заряженных частиц.

Оптимизация и диагностирование значений радиальных зазоров в проточной части газовых турбин.

Радиальные зазоры в турбинах при эксплуатации подвергаются значительным изменениям, при этом очень неравномерным по окружности.

Существует несколько способов диагностирования радиального зазора в турбине при эксплуатации. Значения радиальных зазоров в газовых турбинах измеряются с целью автоматизации регулирования их значений при эксплуатации и создания в конечном счете эффективной системы диагностирования газотурбинных двигателей.

Таким образом, повышение уровня развития, уменьшение затрат на эксплуатацию, ремонт и техническое обслуживание, обеспечение надежной работы ГТД неразрывно связано с созданием и применением систем диагностики работающего газотурбинного двигателя.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Тепловые двигатели» А.В. Осиповым.

ОБЩАЯ ФИЗИКА

Д.Ю. Азьмуко НАНОТРАНЗИСТОРЫ

Объект исследования: принципиально новые виды транзисторов. Результаты, полученные лично автором: проведен обзор новых видов

нанотранзисторов, проанализированыосновные принципы их работы и оценены перспективыих применения.

В последние годы в практическую плоскость перешли разговоры о нанотранзисторах, появились их первые действующие прототипы. Из названия очевидно, что размеры нанотранзисторов исчисляются нанометрами. За полвека транзистор уменьшился примерно в сто тысяч раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе.За радикальными количественными превращениями кроется принципиальное изменение качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной

717

структурой вещества. Применение нанотранзисторов выведет электронику на качественно новый уровень развития, значительно уменьшит размеры электронных устройств, которые будут обладать более лучшими свойствами, чем приборы на полупроводниковых транзисторах.

Одним из видов нанотранзисторов является одноэлектронный нанотранзистор. Он имеет три электрода, называемые истоком, стоком и затвором. В области между электродами располагается дополнительный металлический или полупроводниковый “наноостровок” – наночастица или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определенных условиях происходить движение электрона. При этом толщина “наноостровка” настолько мала, что электрон может туннелировать. Пока не приложено напряжение на затвор, электроны на туннельном переходе заблокированы электроном, находящимся на наночастице. Это явление называется кулоновской блокадой. Если приложить напряжение на затвор, то кулоновская блокада преодолевается и в цепи потечет электрический ток. Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно открывать или закрывать нанотранзистор. Преимуществами такого нанотранзистора являютсямалые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с ними возможность высокой степени интеграции в микросхемы, а также чрезвычайно низкая потребляемая мощность.

Также существует еще один вид одноэлектронного нанотранзистораэлектромеханический нанотранзистор, в котором для переноса электронов от истока к стоку используется вибрирующий маятник, называемый “механической рукой”. Этот маятник колеблется между стоком и истоком под действием переменного напряжения, перенося в результате туннельного эффекта по одному электрону от истока к стоку. Применение “механической руки” для переноса электронов позволит использовать такой нанотранзистор в условиях повышенной радиоактивности, например, в ядерных реакторах или на спутниках в космосе.

Нанотранзисторы также могут быть созданы на основе углеродных нанотрубок. В таком транзисторе нанотрубка играет роль канала проводимости.В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком с запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт. При помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей заряда увеличивается - нанотрубка становится проводником.Электрическое поле, управляющее проводимостью нанотрубки, создается затвором.Скорость работы нанотранзистора на основе углеродных нанотрубок намного превосходит быстродействие кремниевых транзисторов. По некоторым оценкам, нанотрубка может работать на частоте в 1 ТГц, что в сотни раз быстрее, чем скорости современных компьютеров. Размеры нанотранзистора на основе нанотрубок могут достигать 0.2 нм. Процесс производства нанотранзисторов на основе нанотрубок может быть сделан значительно более простым, чем

718

производство кремниевых элементов. Это возможно благодаря технологии печати транзисторов краской, состоящей из углеродных нанотрубок.

В последнее время разрабатывается еще один вид нанотранзисторовжидкий нанотранзистор.Он состоит из наноканала, заполненного сильным электролитом (кислота или щелочь, растворимая в воде). Также в наноканале располагается тонкий провод из оксида металла. При положительном напряжении на затворе оксид в результате реакции с электролитом диссоциирует на ионы и становится хорошим проводником, при отрицательном напряжении диссоциированные ионы вновь соединяются в оксид, который не проводит ток, что соответствует закрытому состоянию нанотранзистора. Жидкие нанотранзисторы не нуждаются постоянно в электроэнергии, чтобы сохранять свое текущее состояние, и после ее отключения способны сохранять открытое или закрытое состояние практически неограниченное время. Поэтому в будущем их можно будет использовать как ячейки памяти.Но у них есть существенный недостаток: низкая скорость перехода из открытого состояния в закрытое, поэтому сейчас усилия ученых направлены на повышение скорости работы жидких нанотранзисторов.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Общая физика» А.А. Демидова

Е.С. Борисова ЭЛЕКТРЕТЫ

Объект исследования: электреты.

Результаты, полученные лично автором: проанализированы способы применения электретов в медицине и технике.

Первые научные сведения об электретном состоянии есть в работах английского учёного С. Грея (1732 г.), М. Фарадея (1839 г.). Термин «электрет» впервые ввёл О. Хевисайд (1892 г.), а изучать это явление начал японский физик Егути в 1919 г. Егути помещал расплавленный воск между двумя электродами, к которым прикладывалось высокое напряжение. После выдержки в электрическом поле воск охлаждался до отвердевания, после чего напряжение отключалось, а электроды отделялись от образца. На гранях воска, обращённых к электродам, был обнаружен электрический заряд, противоположный по знаку заряду на электродах. Его назвали гетерозарядом. (рис. 1).

719

Рис. 1. Получения электрета по Егути: 1 – расплавленный воск в электрическом поле; 2 – готовый электрет. Е0 – «внешнее» электрическое поле, Е – электрическое поле электрета.

Электреты - диэлектрики, способные накапливать и длительно сохранять электрический заряд или поляризацию. Они могут создавать в окружающем пространстве электростатическое поле.

Электреты могут классифицироваться по типу электрически неравновесного состояния диэлектрика (электреты с «истинной», ориентационной дипольной поляризацией; комбинированные), материалу диэлектрика (неорганические кристаллические электреты, полимерные электреты, биоэлектреты и т.п.), методу получения (термоэлектреты, радиоэлектреты, фотоэлектреты, механоэлектреты, трибоэлектреты и т.п.)

В 80х годах XX века у нас в стране начала формироваться, а в течение последних 5-10 лет интенсивно развивается новая отрасль медицины, основанная на использовании близкодействующих статических электрических полей для стимулирования позитивных биологических процессов в организме человека.

Попадая вместе с имплантатом в организм человека, электретная пленка своим полем оказывает дозированное локальное воздействие на поврежденный орган, способствуя его лечению в оптимальных биофизических условиях.

1.Ортопедическая стоматология. Изоляция протезов, изготовленных из акриловых пластмасс, электретными пленками позволяет полностью устранить все патологические проявления, обусловленные непереносимостью акрилатов: химико-токсические, аллергические , электрогальванические .

2.Травматология и ортопедия. Применение электретов при остеосинтезе приводит к сокращению сроков сращивания костей в 2 -2.5 раза с гарантией от послеоперационных осложнений.

3.Хирургия. Разработан и клинически апробирован электретный аппликатор, предназначенный для усиления репаративных процессов при лечении дефектов кожных покровов и соединительной ткани при длительно незаживающих раневых процессах, пролежнях, нейротрофических язвах, термических поражениях.

720

4.Косметология. Использование материалов (например, вместо золотых нитей) с химически - и био - инертными неотторгаемыми электретными покрытиями позволит существенно снизить затраты на проведение лечения и значительно повысит его качественные показатели.

5.Эндопротезирование. Нанесение электретных пленок на детали эндопротезов, находящиеся в контакте с костной тканью и испытывающие большие механические нагрузки, устранит эффект отторжения и тем самым значительно увеличит срок службы таких конструкций

Применение электретов в технике:

1.Мощное электрическое поле, создаваемое электретами, открывает широкие перспективы для их использования в качестве воздушных фильтров и обеспыливателей.

2.Запоминающее устройство - блок вычислительной машины или самостоятельное устройство, предназначенное для записи, хранения и воспроизведения главным образом дискретной информации.

3. Электрофотография - фотографический процесс, основанный на проявлении скрытого электрического изображения, образующегося на фотопроводящем слое диэлектрика. Приведенный принцип получения изображения широко используется в копировальных устройствах и лазерных принтерах.

4.Перспективным видится также использование электретов в качестве батарейки. Энергия электрета сопоставима с парой батареек. Но в отличие от современных батареек срок хранения заряда (т.е. срок годности) электрета достигает сотню лет!

Работа выполнена под руководством проф. каф. «Общая физика» В.И. Попкова

А.В. Дзогий ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ

ТЕРМИЧЕСКОГО КПД В ПОРШНЕВЫХ ДВС

Объект исследования: поршневые двигатели внутреннего сгорания. Результаты, полученные лично автором: определены

термодинамические способы повышения термического КПД в поршневых двигателях внутреннего сгорания, работающим по различным циклам

Поршневыми двигателями внутреннего сгорания называют двигатели, основным элементом конструкции которых является цилиндр с поршнем. Сгорание топлива происходит внутри цилиндра в среде сжатого воздуха. Образовавшиеся продукты сгорания расширяются и перемещают поршень, от которого выработанная механическая энергия передается на вал двигателя через кривошипно-шатунный механизм. При обратном движении поршня происходит сжатие чистого воздуха или рабочей смеси, что повышает их температуру и ускоряет горение.

Термодинамическая эффективность любого цикла, в котором подводится тепло горячего источникаq1, вырабатывается механическая