Т. 4, № 2, 2020
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК. СЕРИЯ «АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ»
СОДЕРЖАНИЕ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
|
А. Б. Сулин, Т. В. Рябова, А. А. Никитин Расчетные характеристики радиатора естественной конвекции с локальной тепловой нагрузкой DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-9-15 Рассмотрена задача оптимизационного расчета геометрических характеристик оребренной теплообменной поверхности с локальным источником теплоты в условиях естественной конвекции. Решение получено для условия максимальной удельной объемной мощности теплообмена. Предложена инженерная методика учета локального характера приложения тепловой нагрузки. Расчетные характеристики приведены в функции от температурного напора, высоты ребра и толщины основания радиатора. Ключевые слова: естественная конвекция, оребренный радиатор, локальная тепловая нагрузка, термоэлектрический модуль. |
9–15 |
|
А. В. Зайцев, А. А. Малышев, К. Ф. Куадио, О. С. Малинина, А. О. Лисовцов Комплексный метод расчёта двухфазного потока при внутриканальном кипении хладагентов DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-16-26 В работе рассматриваются процессы, происходящие при кипении жидкостей в каналах при различных режимах двухфазных потоков. Аналитическое описание тепло-гидродинамических процессов учитывает специфику каждого режима при использовании эмпирических методов определения границ режимов и расчета истинного объемного паросодержания. Предлагается подход, в котором в качестве эмпирической составляющей применена карта режимов течения (кипения) в координатах φ – lgFrm. Анализ процесса производится во всем диапазоне изменения параметров — массовой скорости, температуры и давления, с учетом смены режимов течения. Представленные аналитические зависимости совместно образуют законченную математическую модель, которая реализована в виде компьютерной программы. Ключевые слова: двухфазные потоки, внутриканальное кипение хладагентов, истинное объемное паросодержание, режимы течения. |
16–26 |
|
О. С. Малинина, А. В. Бараненко Сопоставление эффективности термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-27-36 Проведен анализ энергетической эффективности действительных термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин (АБХМ) с одно- и многоступенчатыми процессами абсорбции и генерации и со связанным потоком массы. Выполнен анализ влияния температуры греющего и охлаждающего источников на тепловой коэффициент. Определены параметры внешних источников, при которых возможно осуществление названных термодинамических циклов. При этом для циклов с двухступенчатыми процессами абсорбции и генерации требуется греющий источник с температурой на 20–24 °С ниже в сравнении с базовым одноступенчатым циклом, а для цикла с трехступенчатыми процессами — ниже на 27–30 °С. Установлено, что при принятых параметрах внешних источников действительный тепловой коэффициент находится в пределах: для одноступенчатой АБХМ 0,68–0,74, для двухступенчатой АБХМ 0,36–0,39 и для трехступенчатой АБХМ 0,24–0,26. Ключевые слова: эффективность, действительный термодинамический цикл, абсорбционная бромисто-литиевая холодильная машина, связанный поток массы, тепловой коэффициент. |
27–36 |
|
М. Мехрпуйя, А. В. Зайцев, А. О. Лисовцов Внедрение новых технологических решений в циклы внешнего охлаждения процессов извлечения гелия и ожижения природного газа DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-37-47 В статье представлены результаты исследований комбинации новых технологических решений в процессах ожижения природного газа и извлечения гелия. Наиболее распространенным и эффективным, с точки зрения обеспечения холодопроизводительности в процессе ожижения природного газа, является использование каскадного цикла на смешанном хладагенте (MFC) в качестве внешнего охлаждения. Исследованы эффекты, оказываемые на технологический процесс, благодаря внедрению абсорбционной холодильной установки. Для извлечения гелия применяется комбинированный метод сепарации и ректификации. Чистота получаемого гелия составляет 50 % (в молях). Представлен и описан эксплуатационный режим работы и соответствующие технические характеристики аппаратов. Кривые результирующих характеристик теплообменных аппаратов указывают на корректность проведенных теплогидравлических расчетов. Относительная величина энергетических затрат на получение 1 кг сжиженного природного газа в технологическом процессе с применением MFC составляет 0,265 кВт·ч/кг СПГ. Внедрение абсорбционной холодильной установки в цикл снижает представленное отношение до 0,1849 кВт·ч/кг СПГ. Использование абсорбционной холодильной установки в процессе извлечения гелия дает результат 0,951 и 132,9 кВт/кмоль гелия соответственно. Применение к рассматриваемым процессам методов эксергетического анализа показывает, что наибольшее значение эксергетических потерь относительно других аппаратов наблюдается в компрессорах. Проведен подробный экономический анализ, по результатам которого видно, что себестоимость продукта, полученного в обычном цикле MFC и в цикле MFC с применением абсорбционной холодильной машины, составляет 0,1939 и 0,2069 долл. США/кг СПГ соответственно. Наконец, на основе таких экономических факторов, как стоимость электроэнергии и себестоимость продукта, был проведен анализ эффективности нового цикла. Ключевые слова: извлечение гелия, сжиженный природный газ, холодильный цикл, тепловая интеграция процессов, энергетическая эффективность, эксергетический анализ. |
37–47 |
|
О. Ю. Манихин, В. В. Шалай Анализ работы технологического оборудования установки комплексной подготовки газа при смене абсорбента диэтиленгликоля на триэтиленгликоль DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-48-55 На основании расчетных данных, полученных при использовании программного комплекса моделирования технологических процессов подготовки углеводородного сырья отечественной разработки «GIBBS», в статье подтверждено преимущество триэтиленгликоля относительно диэтиленгликоля с точки зрения снижения температуры точки росы по воде осушенного газа в изменяющихся термобарических условиях эксплуатации технологического оборудования установки комплексной подготовки газа. Расчетные параметры подтверждены опытными данными, полученными при эксплуатации системы осушки природного газа на объектах ООО «Газпром добыча Ноябрьск», где в качестве абсорбента используется триэтиленгликоль. Ключевые слова: дожимная компрессорная станция, абсорбционная осушка газа, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, температура точки росы, моделирование технологических процессов. |
48–55 |
|
А. Д. Ваняшов, А. В. Крупников Применение метода анализа «компрессор-сеть» для системы с поршневым компрессором и линией рециркуляции DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-56-63 Объектом исследования является поршневой оппозитный компрессор, обеспечивающий закачку газа в подземное хранилище газа. Рассмотрены проблемные вопросы реализации пусковых режимов компрессора на агрегатную линию рециркуляции. В качестве инструмента применен метод анализа «компрессор-сеть», заключающийся в определении рабочих точек системы за счет совмещения характеристик поршневого компрессора и сети, в качестве которой, в данном случае, рассматривается агрегатная линия рециркуляции с регулирующим клапаном. Получены рекомендации по выбору типоразмера регулирующего клапана для поршневого компрессора, работающего как в одноступенчатом, так и в двухступенчатом режиме. Ключевые слова: поршневой компрессор, подземное хранилище газа, регулирующий клапан, линия рециркуляции. |
56–63 |
|
Д. С. Титов, С. С. Бусаров, И. П. Аистов, К. А. Вансович Анализ эффективности применения поршневых уплотнений в тихоходных насосных агрегатах на основе анализа деформированного состояния цилиндрической части камеры сжатия DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-64-71 В статье рассмотрены варианты применения различных типов уплотнений в поршневых насосных тихоходных длинноходовых агрегатах. Были определены расчётные значения деформаций цилиндрической части рабочей камеры и текущая величина действительных зазоров при различных цилиндропоршневых уплотнениях. На основании установленных ограничений по минимальному значению коэффициента подачи был проведён анализ рабочего процесса насосной поршневой ступени длинноходового агрегата и разработаны рекомендации по применению рассмотренных видов уплотнений. Ключевые слова: тихоходная длинноходовая ступень, поршневой насосный агрегат, уравновешивание поршневых агрегатов, деформация цилиндра, зазор. |
64–71 |
|
А. В. Бураков, А. А. Левихин, А. В. Побелянский, А. С. Перминов Адаптация технологии 3D-печати и методов топологической оптимизации для создания малорасходных турбокомпрессоров DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-72-84 В статье описан богатый опыт холдинга компаний «Компрессор» по созданию компрессорного оборудования для различных отраслей промышленности. Продемонстрированы существующие методы разработки и изготовления турбокомпрессоров на примере нестандартного холодильного компрессора, предназначенного для работы на газообразном хладагенте R704. Проанализированы данные по освоенным ведущими иностранными компаниями в области авиа- и ракетостроения аддитивным технологиям изготовления деталей и сборочных единиц с помощью 3D-печати металлическими материалами. Рассмотрен опыт применения методов топологической оптимизации в авиа- и ракетостроении. Сделан вывод о применимости методов топологической оптимизации для создания элементов турбокомпрессоров совместно с технологией 3D-печати. Предложен способ создания нестандартных малорасходных турбокомпрессоров, обеспечивающий снижение материалоемкости и увеличение прочности деталей и узлов, включающий этапы проектного расчета, предварительного расчета, построения 3D-модели, поэтапная топологическая оптимизация, верификация нагрузок, верификация технологии, изготовления методом 3D-печати, 3D-сканирование для подтверждения соответствия напечатанной детали заданным геометрическим свойствам, верификация детали на соответствие механическим свойствам. Ключевые слова: турбокомпрессор, 3D-печать, 3D-сканирование, оптимизация нагрузок, проектный расчет. |
72–84 |
|
Л. Г. M. Де Лука, Э. Силва, С. Дж. Дешам Оценка влияния упрощающих допущений, принимаемых при моделировании перетечек в клапанах = De Luca L. G. M., Silva E., Deschamps C. J. Assessment of simplifying hypotheses adopted for valve leakage modeling / пер. с англ. М. А. Федоровой DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-85-95 Пластинчатые клапаны, используемые в холодильных компрессорах, должны обеспечивать герметичность в закрытом состоянии во избежание перетечек газа между рабочей полостью цилиндра и камерами всасывания и нагнетания. Недавние исследования показывают, что перетечки через клапан могут значительно повлиять на производительность поршневых компрессоров малых размеров, используемых в бытовой холодильной технике. Данная статья представляет исследование влияния упрощающих допущений, принимаемых в имитационных моделях расчёта перетечек в клапане. Результаты показывают, что сопутствующие эффекты, связанные как с деформацией клапана, так и с потоком жидкости, незначительно влияют на результаты расчёта. Кроме того, допущение об идеальности газа было признано приемлемым для некоторых рабочих режимов, которые характерны для бытовой холодильной техники. С другой стороны, было обнаружено, что расчётная величина перетечек увеличилась почти на 20 % после того, как конфигурация клапанной пластины была упрощена до круглой пластины для уменьшения стоимости вычислительных расчетов. Ключевые слова: поршневой холодильный компрессор, клапан, перетечки, математическая модель, численный эксперимент, верификация. Перевод публикуется с разрешения авторов и оргкомитета конференции «Компрессоры и их системы» (Лондон, 2019). |
85–95 |
|
Ч. Шахин, Х. Керпиччи, А. Я. Карабай, К. Карахан Исследование коэффициентов давления и расхода клапанов герметичных поршневых компрессоров = Şahin Ç., Kerpiççi H., Karabay A. Ya., Karahan K. Investigation of Discharge Flow and Force Coefficients in Hermetic Reciprocating Compressors / пер. с англ. М. А. Федоровой DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-96-103 Обеспечение низкого энергопотребления бытовой техники является важнейшей задачей её производителей. Для достижения требуемого энергетического уровня в бытовых холодильниках начали широко использовать высокоэффективные компрессоры с переменной производительностью. Пластинчатые клапаны и конструкция пластин клапанов являются наиболее важными вопросами при разработке поршневых компрессоров с точки зрения коэффициента полезного действия (КПД). Жесткость пластин клапанов и конфигурации проходных каналов в седле играют важную роль в снижении потерь при различных скоростях и условиях эксплуатации. В последнее десятилетие для исследования динамики клапанов начал применяться метод Fluid Structure Interaction (FSI). Из-за сложности и высокой вычислительной стоимости метода FSI альтернативные методы моделирования по-прежнему являются более предпочтительными для получения более быстрых и простых решений. В разработанной нашей компанией программе моделирования используются коэффициенты давления и расхода для расчета динамики клапана и массового расхода газа через него. Они рассчитываются с помощью программного пакета Computational Fluid Dynamics (CFD) в зависимости от высоты подъема клапана. В данном исследовании были рассчитаны коэффициенты давления и расхода при различных положениях поршня. В качестве конструктивного фактора также учитывался дополнительный прилив на поршне, который используется для уменьшения мертвого объема. Расчеты CFD были установлены для стационарного состояния при различных положениях клапана с помощью Ansys Fluent. Рассчитанные коэффициенты расхода и давления были введены в программу моделирования, а влияние положения поршня было представлено с точки зрения КПД, охлаждающей способности и сопоставлено с результатами эксперимента. Ключевые слова: поршневой холодильный компрессор, клапаны, коэффициент давления, коэффициент расхода, CFD-анализ, имитационная модель, эксперимент, верификация. Перевод публикуется с разрешения авторов и оргкомитета конференции «Компрессоры и их системы» (Лондон, 2019). |
96–103 |
|
И. С. Бусаров, В. Л. Юша, С. С. Бусаров Экспериментальное определение коэффициента отскока пластины клапана с эластомерными элементами в поршневой тихоходной компрессорной ступени DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-104-110 Экспериментальные исследования динамики запорного органа самодействующего клапана с эластомерными элементами тихоходных длинноходовых ступеней позволили впервые получить диаграмму движения пластины клапана для рассматриваемых компрессорных агрегатов. Основным принципиальным результатом динамического анализа клапана явилось отсутствие отскоков от седла и ограничителя подъёма при движении запорного органа. Полученные данные в дальнейшем могут быть использованы для разработки и верификации методики расчёта таких клапанов. Ключевые слова: тихоходная длинноходовая ступень, самодействующие клапаны, эластомеры, диаграмма движения клапана, экспериментальные исследования. |
104–110 |
АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА
|
А. Б. Яковлев Разработка вихревых аппаратов осушки сжатого воздуха для систем наземного стартового комплекса DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-111-116 Показана возможность использования вихревого эффекта для осушки сжатого воздуха, применяемого в различных промышленных установках, в том числе системах термостатирования наземного стартового комплекса. Приведена математическая модель процесса снижения влагосодержания и создана методика расчета оптимальных геометрических размеров вихревого устройства осушки. Представленные в работе результаты позволяют повысить эффективность производственных процессов, использующих сжатый воздух в качестве рабочего тела. Ключевые слова: стартовый комплекс, пневматические системы, эффект Ранка, вихревой поток, влагосодержание, механическая осушка. |
111–116 |
|
В. Н. Климов, Д. Я. Дудьев, В. Я. Сигайло, Н. И. Климов Определение температурного состояния роторных подшипников газотурбинного двигателя с воздушно-топливной системой смазки DOI: 10.25206/2588-0373-2020-4-2-117-128 Статья посвящена проблеме выбора оптимальных параметров воздушно-топливной смеси в газотурбинных двигателях (ГТД) с воздушно-топливной системой смазки. В настоящее время определение оптимальных параметров воздушно-топливной смеси, обеспечивающих работоспособность роторных подшипников ГТД при минимальных расходах воздуха и топлива через них, существенно осложняется невозможностью расчета температурного состояния подшипников. При этом от количества воздуха и топлива, отбираемых из проточной части и топливной магистрали двигателя, значительно зависят его основные удельные характеристики. В связи с этим определение зависимости температуры подшипников от условий их эксплуатации (параметров воздушно-топливной смеси и режимов работы) является актуальной задачей. Целью данной работы является разработка расчетного метода определения температуры смазываемого и охлаждаемого воздушно-топливной смесью подшипника. В работе выполнен анализ теплового состояния подшипников, установленных в опоры ротора ГТД с воздушно-топливной системой смазки. На основании результатов испытаний гибридных шариковых радиально-упорных подшипников 45-126205РЯ определены зависимости момента трения и коэффициента конвективной теплоотдачи в них от параметров воздушно-топливной смеси и режимов эксплуатации, разработан метод расчета температуры смазываемого и охлаждаемого воздушно-топливной смесью подшипника. Использование полученных в данной работе результатов при проектировании перспективных короткоресурсных ГТД с воздушно-топливной системой смазки приведет к улучшению характеристик двигателей, а также будет способствовать расширению области их применения. Ключевые слова: газотурбинный двигатель, воздушно-топливная смесь, система смазки, метод, температура подшипника. |
117–128 |