Т. 6, № 1, 2022
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ «АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ»
СОДЕРЖАНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
|
В. И. Карагусов Исследование безуглеродной радиационной системы жизнеобеспечения в весенний и осенний периоды DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-9-13 Солнечная энергия относится к возобновляемой безуглеродной энергии. Экспериментальные исследования, проведенные в весенне- осенние периоды 2018–2021 гг. в условиях резко континентального климата Западной Сибири, позволили сделать ряд выводов о применимости радиационной системы жизнеобеспечения для коттеджей, сельских домов и других отдельно стоящих строений. За время исследований было проведено большое количество экспериментальных измерений температур с записью их в память логгера 88598. Температуры фиксировались на измерительной ячейке экспериментального стенда. Полученные экспериментальные данные обрабатывались. Весной и осенью радиационное кондиционирование рациональнее заменять на вентиляцию, так как в ночное время разница температур между радиационной панелью и окружающим воздухом невелика. Ключевые слова: система жизнеобеспечения, радиационный коллектор, солнечное излучение, тепловой поток, безуглеродная энергия, возобновляемые источники энергии, инсоляция. |
9–13 |
|
В. А. Пронин, А. В. Кованов, Е. А. Калашникова, В. А. Цветков Перспектива использования озонобезопасных хладагентов с низким потенциалом глобального потепления в спиральных компрессорах. Исследования и практика применения R744 и R290. Часть 2 DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-14-21 В настоящее время спиральные компрессоры успешно работают на различных натуральных хладагентах, среди которых наиболее востребованы пропан R290 и диоксид углерода R744. Это объясняется эксплуатационными свойствами хладагентов, изученных в предыдущей статье. Однако залогом совершенствования спиральной технологии, дальнейшей адаптации или создания новых образцов компрессора является подробное исследование в области теплофизических и термодинамических свойств пропана и СО2. В данной статье проанализированы возможные границы применения R290 и R744 с позиций влияния их свойств на рабочие процессы и вопрос необходимости конструктивных изменений компрессора. Рассмотрен вопрос корреляции свойств гидрофторуглеродов и натуральных хладагентов, а также возможность применения теории термодинамического подобия для его решения. Учтены данные по имеющимся на рынке образцам спирального компрессора, работающим на натуральных хладагентах, с точки зрения их преимуществ и недостатков. Таким образом, сделаны выводы о перспективности использования R290, R744 и актуальных направлениях исследования для расширения границ применения спирального компрессора в аспекте общего вопроса использования озонобезопасных хладагентов с низким потенциалом глобального потепления. Ключевые слова: спиральный компрессор, пропан R290, диоксид углерода R744, гидрофторуглероды, энергоэффективность, свойства реального газа, термодинамическое подобие. |
14–21 |
|
В. В. Шалай, М. О. Мызников, М. И. Гильдебрандт, Е. В. Ходорева О необходимости замены насосного оборудования или рабочих колес магистральных насосов при изменении производительности перекачки нефти и нефтепродуктов DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-22-28 В статье представлены результаты исследования, связанные с определением необходимости замены насосного оборудования или рабочих колес магистральных насосов для повышения КПД при снижении объемов перекачки. Вычисления проводились на примере технологического участка конкретного нефтепровода. В работе продемонстрирован подход к оценке экономической целесообразности замены насосного оборудования или его модернизации в условиях изменения объемов транспортировки. Метод расчета может быть применен для любых нефтепроводов и продуктопроводов. Ключевые слова: перекачка нефти, энергоэффективность, магистральный насос, КПД, технологический режим, показатели эффективности, регулирование, сменное рабочее колесо. |
22–28 |
|
В. В. Шалай, М. О. Мызников, М. И. Гильдебрандт, В. А. Гриневич Выбор режимов и регулирование давления при перекачке нефти и нефтепродуктов для экономии электроэнергии DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-29-34 В статье представлены результаты исследования, связанные с выбором режимов и регулированием давления для экономии электроэнергии. Вычисления проводились на примере технологического участка конкретного нефтепровода. В работе продемонстрирован подход к оценке экономической эффективности каждого из вариантов регулирования расхода для получения требуемой производительности. Приведенные рассуждения и способы выбора режимов могут быть применены для любых нефтепроводов и продуктопроводов. Ключевые слова: перекачка нефти, трубопроводный транспорт, транспортировка нефтепродуктов, энергоэффективность, магистральный насос, КПД, технологический режим, показатели эффективности, регулирование, выбор режимов. |
29–34 |
|
А. А. Капелюховская, Г. И. Чернов, А. Ю. Громов, А. М. Калашников, В. И. Карагусов, А. М. Парамонов Теоретический анализ процесса расширения влажного водяного пара в рабочей камере поршневого длинноходового линейного привода компрессорного агрегата DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-35-43 В данной работе рассматривается процесс расширения влажного водяного пара в поршневом длинноходовом тихоходном приводе малорасходного компрессорного агрегата. Исследование проводилось на основе разработанной математической модели, включающей как основные термодинамические уравнения, так и уравнения, описывающие процесс теплообмена рабочего вещества со стенками рабочей камеры в процессе расширения. Результаты проведенных расчетов отражают зависимости давления, температуры и степени сухости от изменения объема рабочей полости при различных значениях начальной степени сухости в процессе расширения и времени протекания процесса. Анализ полученных результатов показывает, что увеличение времени цикла и уменьшение начальной степени сухости приводит к интенсификации процесса конденсации влажного пара в процессе расширения и возможности получения полной конденсации рабочего тела. Ключевые слова: процесс расширения, конденсация, поршневой агрегат, влажный пар. |
35–43 |
|
Д. Х. Садвакасов, Г. И. Чернов, В. Л. Юша Анализ влияния факторов неопределенности на математическое моделирование процесса обратного расширения аммиака в тихоходной поршневой компрессорной ступени. Часть 1 DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-44-54 В работе представлен анализ влияния на математическое моделирование процесса обратного расширения аммиака в области влажного пара, реализуемого в рабочей камере поршневой компрессорной ступени, таких факторов неопределенности, как методика расчета коэффициента теплоотдачи, температура поверхности стенки рабочей камеры и степень сухости в начале процесса обратного расширения. В основу математической модели легли уравнения первого закона термодинамики для тела переменной массы, уравнение состояния реального газа, уравнения Клапейрона–Клаузиуса и Ньютона–Рихмана. В связи с отсутствием данных по методике расчета коэффициента теплоотдачи в рабочей камере рассматриваемого объекта на данном этапе было рассмотрено несколько известных зависимостей для расчета этих коэффициентов при пузырьковом кипении в других технических объектах. Результаты расчета показали, что мгновенные значения давления и температуры аммиака, а также его степени сухости при обратном расширении в области влажного пара существенно зависят от выбранной методики расчета коэффициента теплоотдачи. Значительное влияние на рассматриваемый процесс оказывает также величина температуры стенок рабочей камеры компрессора, в которой реализуется процесс сжатия, и степень сухости аммиака в начале процесса расширения. Эти факторы требуют проведения анализа для других моделей двухфазного рабочего тела, а также дополнительных экспериментальных исследований для обеспечения достоверности математической модели процесса обратного расширения аммиака в тихоходной поршневой компрессорной ступени с учетом изменения агрегатного состояния рабочего тела. Ключевые слова: аммиак, влажный пар, перегретый пар, процесс обратного расширения, математическая модель, коэффициент теплоотдачи, пузырьковое кипение. |
44-54 |
|
А. А. Секачева, Л. Г. Пастухова, А. С. Носков Численное исследование влияния толщины стенки трубопровода на собственные динамические параметры гидромеханической системы DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-55-63 Данная статья посвящена решению проблемы возникновения шума и вибрации в сложных трубопроводах гидромеханических систем. В исследовании производились вычисления первых десяти частот собственных колебаний для заполненных водой участков трубопроводной системы с наружными диаметрами 60, 70, 102 мм и различными толщинами стенки трубопровода. Было определено, что для всех исследуемых диаметров характерно снижение величин частот собственных колебаний по всем формам собственных колебаний при увеличении толщины стенки трубопровода. Таким образом подтверждается предположение о том, что увеличение жесткости трубопровода снижает вероятность возникновения колебаний в трубопроводе. Сделан вывод о том, что на прямолинейных участках трубопроводная система с диаметрами до 102 мм ведет себя только как механическая система. Ключевые слова: трубопроводы, гидромеханические системы, собственные частоты колебаний, вибрация, шум, динамические характеристики трубопроводов, пульсации давлений рабочей среды. |
55-63 |
|
Е. Р. Бутакова, А. А. Секачева, А. С. Носков Исследование функционирования золотникового гидравлического блока регулирования, передающего сигнал редуцированного давления на управление гидрораспределителями, цилиндрами управления, параметрами аксиально-поршневых насосов и гидромоторов DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-64-74 В данной статье рассмотрены результаты испытаний трех модернизированных гидравлических блоков управления. По ходу экспериментов производилась доработка узлов с последующими доводочными испытаниями. В результате исследований получены: характеристика зависимости перепада давления от расхода, зависимость редукционного давления от угла наклона рукоятки, перепады давления в рабочих отводах блока управления и др. Анализ полученных результатов и сравнение с теоретическим расчетом показали, что имеется три основных типа регулировочных характеристик: параллельная теоретической — при ламинарном течении, трехзонная и квадратичная — при турбулентном режиме. Ключевые слова: гидравлический блок управления, гидрораспределитель, золотниковые гидрораспределители, давление редуцирования, расходно-перепадные характеристики. |
64-74 |
|
М. Фуладиванда, М. А. Хейдари Исследование влияния хлорид-ионов на подпиточные водородные компрессоры = Fouladivanda M., Heidary M. A. A study into the impact of chloride ions on the make-up hydrogen compressors / пер. с англ. М. А. Федоровой DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-75-84 Присутствие нежелательных химических веществ в технологических линиях и оборудовании вызывает дефекты и сбои, которые иногда оказывают значительное воздействие на системы и налагают дополнительные затраты на производственный процесс. В этом исследовании исследуются два четырехступенчатых подпиточных водородных компрессора. Эти поршневые компрессоры, которые служат частью установки для обработки водорода, вышли из строя примерно одновременно. Подача этих компрессоров осуществляется чистым газом, богатым водородом. В обоих компрессорах подобные проблемы проявились на первой и второй ступенях. Одновременное повышение температуры цилиндра и уменьшение расхода привело к принудительному отключению компрессоров. Первоначальные проверки выявили наличие отложений, покрывающих цилиндр и его компоненты. Гидравлические испытания клапанов выявили значительную утечку во всех всасывающих и нагнетательных клапанах цилиндров. Более того, толщина всех поршневых колец уменьшилась до 50 процентов, что превышает допустимые значения. Состав отложений, проверенный методом рентгеновской флуоресценции (XRF) и рентгеновской дифракции (XRD), в результате анализа показал, что они содержат 35,2 процента (массовые доли) хлора и 27,5 процента железа и заметное количество серы или фосфора. Рентгеновский анализ показал, что гидрат хлорида железа является основной частью отложений. В этой статье исследуется влияние вышеупомянутых химических веществ на конструктивные элементы компрессора и предлагаются некоторые подходы к поглощению или ингибированию этих химических веществ. Ключевые слова: водородный компрессор, отложения в цилиндре, аварийное отключение, рентгеновские исследования, поглощение и ингибирование. Перевод публикуется с разрешения авторов и оргкомитета серии конференций IOP: «Материаловедение и инженерия» (IOP Conference Series Materials Science and Engineering) (Лондон, 2021). |
75-84 |
|
И. Ивкович-Кихич, М. Рид, Ш. Рэйн, А. Ковачевич «Компрессоры и их системы». Итоги конференции =Ivkovic-Kihic I., Read M., Rane Sh., Kovacevic A. «Compressors and their systems». Post conference report / пер. с англ. М. А. Федоровой DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-86-91 В статье представлен обзорный отчет о работе 12-й Международной конференции «Компрессоры и их системы», которая проходила в гибридном формате с 6 по 8 сентября 2022 года в City, University of London, Великобритания. На этом престижном научно-образовательном форуме в рамках пленарного заседания прозвучали доклады мировых экспертов в области компрессорной техники и проблем декарбонизации, на нескольких технических и панельных сессиях были представлены презентации по таким темам, как винтовые, спиральные, пластинчатые и поршневые компрессоры; компрессорные системы и их системы диагностики и управления; турбомашины; математическое моделирование и оптимизация компрессоров, детандеров и их систем. Кроме этого, в рамках конференции был проведен традиционный краткий обучающий курс и Форум по CFD (газодинамическим расчетам) в роторных объемных машинах. Вводная сессия была посвящена основам реализации CFD с использованием метода конечных объемов; после этого были представлены новые исследования в области CFD в роторных объемных машинах, в том числе на базе таких решателей, как ANSYS Forte и OpenFOAM. Комплексный подход к моделированию, как, например, SCORG и GT-Suite, также привлек особое внимание участников. Представлена информация о следующей конференции «Компрессоры и их системы», которая состоится в 2023 году. Ключевые слова: компрессоры и компрессорные системы, конструкции, рабочие процессы, системы диагностики и управления, математическое моделирование, CFD, конференция. |
86-91 |
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
|
В. И. Кузнецов, В. В. Макаров Физико-математическая модель рабочего процесса трубы Гартмана–Шпренгера DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-92-100 Рассмотрен вопрос работы трубы Гартмана–Шпренгера. Исследовано влияние параметров набегающего потока газа на его параметры в конце тупиковой полости. Определен механизм передачи энергии от набегающего потока к потоку, вошедшему в тупиковую полость. Приведено доказательство влияния вязкости и касательных напряжений на возникновение передачи кинетической энергии от набегающего потока к потоку, вошедшему в тупиковую полость. Выявлено влияние обмена работой и теплотой на механизм передачи энергии в тупиковой полости трубы Гартмана–Шпренгера. Ключевые слова: труба Гартмана–Шпренгера, энергообмен, градиент линейных скоростей. |
92–100 |
|
В. Ю. Куденцов, А. В. Куденцов, Н. А. Кузина, В. И. Биматов Тепловое нагружение конструкции отработанной ступени ракеты при баллистическом спуске DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-101-108 Представлены результаты численного расчета аэродинамического нагрева элементов конструкции отработанной ступени ракеты при управляемом спуске ее по баллистической траектории. Определено влияние начальных траекторных параметров на удельный конвективный и лучистый потоки тепла. Для оценки теплового нагружения конструкции отработанной ступени ракеты введен параметр суммарного удельного потока энергии. Установлено, что в диапазоне начальных скоростей движения отработанной ступени ракеты от 1800 м/с до 2600 м/с, увеличение начальной скорости на 200 м/с приводит к увеличению удельного конвективного потока в среднем на 11 % для хвостового отсека и бака горючего и на 5 % — для бака окислителя. Доля отведенного от поверхности удельного лучистого потока энергии по отношению к удельному конвективному потоку энергии составляет от 0,15 до 0,19 для хвостового отсека, от 0,12 до 0,15 — для бака горючего и не более 0,009 — для бака окислителя. Для предварительного этапа оценки температурного состояния конструкции отработанной ступени ракеты при движении на баллистической траектории предложены эмпирические зависимости. Погрешность результатов расчета по предложенным зависимостям не превышает 12 %. Ключевые слова: тепловые потоки, ступень ракеты, аэродинамический нагрев, баллистическая траектория. |
101-108 |
|
И. С. Вавилов, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, К. И. Жариков, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, И. А. Кузьменко Двухзазорный СВЧ ионный двигатель и его исследование аэродинамическим методом DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-109-117 Статья содержит изыскания авторов в области реактивных двигательных систем с низким энергопотреблением малых космических аппаратов (МКА) класса наноспутников. В работе представлен СВЧ ионный двигатель с двойным ускорением ионизированного газа в зазорах, образованных торцевыми поверхностями цилиндрических резонаторов. Представлены результаты экспериментального исследования силы давления реактивной струи ионизированного газа аэродинамическим методом двойного угла. Представлен стенд определения силовых параметров слабых плазменных струй. Представлена конструкция прототипа. Суммарное энергопотребление прототипа составило 5 Вт, скорость истечения ускоренного газа составила до 200 км/с, сила давления струи на чувствительный элемент стенда составила 0,1 мкН. Рабочим телом прототипа являлся азот при давлении в вакуумной камере 18 Па. Ключевые слова: объемный резонатор, СВЧ, плазма, малый космический аппарат, азот, тяга, скорость. |
109-117 |
|
И. С. Вавилов, К. И. Жариков, П. С. Ячменев, В. В. Федянин, П. В. Степень, А. И. Лукьянчик, И. А. Кузьменко Калориметрические исследования СВЧ ионного двигателя DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-118-127 Авторы продолжают работу в области калориметрических исследований параметров ускоренной ионизированной струи газа прототипов СВЧ ионных микродвигателей с энергопотреблением до 10 Вт. В данной работе представлен усовершенствованный калориметрический метод. Введение в конструкцию теплоприемника в виде тонкого экрана позволяет выделить тепловую составляющую, образованную прохождением электрического тока через плазму в ускоряющем промежутке. Были проведены калориметрические исследования прототипа с двухэлектродной ускоряющей системой при одинаковых ускоряющих напряжениях и мощности СВЧ генератора и разных массовых расходах газа. Показано, что при расходе азота 5,668•10–9 кг/с скорость смешанной струи (нейтральный газ с ионизированной компонентой) газа составила 63,75 м/с, реактивная тяга составила 0,36 мкН. При расходе азота 1,611•10–8 кг/с скорость смешанной струи газа составила 47,9 м/с, реактивная тяга составила 0,77 мкН. Рабочим телом прототипа являлся азот при давлении в вакуумной камере 22 Па. Ключевые слова: калориметр, СВЧ, плазма, малый космический аппарат, азот, тяга, скорость, тепловизор. |
118-127 |
|
А. В. Побелянский, Д. К. Дмитриев, А. А. Левихин Интенсификация конвективного теплообмена стенок жаровой трубы 3Д-печатного микроразмерного турбореактивного двигателя DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-128-138 В статье рассмотрено решение актуальной проблемы создания микроразмерного турбореактивного двигателя (мТРД) с применением 3Д-печати. В статье описан один из способов охлаждения стенок жаровой трубы малоразмерной камеры сгорания, выполненной из жаропрочного материала 08ХН53БМТЮ. Известным фактом является то, что в камерах сгорания малых размеров существенно возрастает площадь поверхности жаровой трубы относительно ее объема, что отрицательно влияет на ее тепловое состояние. Одним из приемлемых способов охлаждения стенок жаровой трубы малоразмерной камеры является конвективный с наружной стороны жаровой трубы за счет интенсивного вихреобразования в пограничном слое потока. Данный эффект достигается устройством выступов на наружной стенке жаровой трубы с целью разрушения пристеночного теплового пограничного слоя и увеличения коэффициента теплоотдачи, что способно существенно снизить вероятность ее локального перегрева. В статье освещена особенность формы выступов, которая должна выполняться с учетом технологических ограничений 3Д-печати. В статье представлены описание экспериментального стенда для исследования теплового состояния жаровой трубы мТРД, методика обработки экспериментальных данных и результаты экспериментов по теплоотдаче обечайки жаровой трубы с выступами и без них. Ключевые слова: микроразмерный турбореактивный двигатель, камера сгорания, жаровая труба, комплексно-интегрированная конструкция, интенсификация конвективного теплообмена, аддитивные технологии. |
128-138 |