Версия для печати

Т. 8, № 3, 2024

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК.
СЕРИЯ «АВИАЦИОННО-РАКЕТНОЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ»

СОДЕРЖАНИЕ

Памяти Блинова Виктора Николаевича — талантливого инженера, ученого, изобретателя,
создателя ракетно-космической техники

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

Б. А. Калашников, В. В. Бохан, В. Е. Смолко Экспериментально-теоретическое исследование особенностей амплитудно-частотных характеристик ангармонического осциллятора Дуффинга DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-13-20 В статье приведены экспериментальные осциллограммы явлений бифуркации в слабодемпфированном вязким трением осцилляторе Дуффинга. Точки бифуркации находятся путём численного решения гармонически линеаризованного уравнения движения относительно квадрата частоты и квадрата амплитуды. Предложены приближённые безразмерные выражения для амплитуд и соответствующих им частот в точках бифуркации. Приведено сравнение экспериментальных и теоретических амплитудно-частотных характеристик и их значений в этих точках. Ключевые слова: осциллятор Дуффинга, степень нелинейности, гармоническая линеаризация, коэффициент относительного затухания, амплитудно-частотная характеристика, амплитуда и частота точек бифуркации, точки перескоков.	13–20
В. Л. Юша, С. С. Бусаров, А. В. Недовенчаный Оценка применимости одноступенчатых поршневых длинноходовых тихоходных компрессоров в низкотемпературных холодильных машинах DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-21-28 Рассмотрены рабочие процессы и интегральные характеристики низкотемпературных аммиачных одноступенчатых поршневых длинноходовых тихоходных компрессоров. Представлена методика расчёта действительного рабочего процесса ступени такого компрессора, учитывающая такие основные факторы, как процессы нестационарной теплопередачи между рабочим телом в цилиндре и внешней охлаждающей средой; процессы течения рабочего тела через неплотности в клапанах и в уплотнениях цилиндропоршневой группы; динамика движения запорного органа клапанов и др. В качестве интегральных показателей рассмотрены коэффициент подачи, холодильный коэффициент, температура нагнетания. В качестве независимых параметров рассмотрены: температуры конденсации и кипения, основные размеры и параметры ступени, температура охлаждающей среды и коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности цилиндра, а также диаметры седла клапанов всасывания и нагнетания. Выполнен сравнительный анализ эффективности рабочего процесса рассматриваемой ступени при температуре конденсации 303 К и температурах кипения в диапазоне от 243 К до 173 К. Исследована взаимосвязь основных размеров и параметров ступени, а также температуры кипения аммиака с интегральными характеристиками рассматриваемого компрессора. Полученные результаты теоретического анализа позволяют оценивать возможность замены многоступенчатых и каскадных низкотемпературных холодильных компрессоров альтернативными одноступенчатыми на базе тихоходной длинноходовой ступени как перспективную. Ключевые слова: поршневой холодильный компрессор, аммиак, низкотемпературный режим, тихоходная длинноходовая ступень, рабочие процессы, математическое моделирование, холодильный коэффициент.	21–28
В. Л. Юша, М. А. Сутягинский, Ю. А. Потапов, Г. С. Русских Адаптация системы регулирования производительности технологического поршневого водородного компрессора к нестабильным условиям эксплуатации DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-29-35 Рассмотрены вопросы, связанные с возможными проблемами целесообразности эксплуатации существующей системы регулирования производительности технологического поршневого водородного компрессора на крупном химическом производстве и актуальностью её модернизации. На практике модернизация является одним из вариантов реализации импортозамещающих технологий применительно к оборудованию, эксплуатируемому на крупных химических, нефте- и газоперерабатывающих предприятиях. В качестве доминирующих предпосылок приняты технико-экономические факторы; в качестве альтернативного варианта существующей системе регулирования путём отжима клапанов на части хода поршня выбрана технология регулирования изменением величины мёртвого объёма в рабочей камере цилиндра. Наличие существенных факторов неопределённости при реализации известных методик расчёта потерь производительности действительного рабочего процесса в ступени поршневого компрессора привело к необходимости выполнения вариантных расчётов. Реализация такого подхода обеспечила высокую сходимость результатов расчёта и промышленных испытаний и позволила уточнить величину условно-постоянного показателя политропы конечных параметров, применимую для аналогичных расчётов рассматриваемого объекта. Представлены рекомендации по конструированию поршневых компрессоров с регулируемой производительностью. Ключевые слова: поршневой компрессор, водород, регулирование производительности, отжим клапанов, изменение мёртвого объёма, производительность, температура нагнетания.	29–35
А. Д. Ваняшов, В. В. Карабанова, А. А. Нефедов Оценка перспектив применения на линейных газовых компрессорных станциях одноступенчатых центробежных компрессоров на базе высоконапорных ступеней с входным направляющим аппаратом DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-36-45 Рассмотрены вопросы оценки технических и экономических перспектив применения на линейных газовых компрессорных станциях газоперекачивающих агрегатов с одноступенчатыми центробежными компрессорами с осевым расположением всасывающего патрубка, созданными на базе высоконапорных ступеней с осерадиальными рабочими колесами и регулируемым входным направляющим аппаратом. Приведено краткое описание методики пересчета испытаний малоразмерной ступени компрессора, выполненных на воздухе, на условия работы в составе газовой компрессорной станции. Выполнена сравнительная оценка конкурентоспособности предлагаемого типа компрессора с существующими типами компрессоров в двухступенчатом исполнении. Ключевые слова: центробежный компрессор, входной направляющий аппарат, осерадиальное рабочее колесо, газодинамическая характеристика, газоперекачивающий агрегат, компрессорная станция, газотранспортная система.	36–45
А. А. Райков, А. А. Исаев, А. В. Бурмистров Математическое моделирование откачки бесконтактными насосами внешнего сжатия газов с различными молекулярными массами DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-46-52 Отличительной особенностью двухроторных вакуумных насосов типа Рутс является селективность откачки, что обусловлено зависимостью обратных перетеканий через каналы роторного механизма от рода газа. Для исследования этого явления используется математическая модель рабочего процесса, основанная на решении дифференциальных уравнений системы с переменной массой. Проведенное сравнение экспериментальных и расчетных значений быстроты действия и максимального отношения давлений выхода и входа для гелия, аргона и воздуха показало расхождение не более 10 %. Расчеты показали, что в условиях вязкостного течения переход с откачки аргона на гелий снижает быстроту действия более чем на 10%, а степень повышения давления — на 50 %. Ключевые слова: селективность откачки, быстрота действия, проводимость, обратные перетекания, двухроторный вакуумный насос, проводимость каналов, математическая модель.	46–52
А. Ф. Сарманаева, Н. В. Соколов, О. Ю. Паранина, В. В. Кузовов, Ю. В. Сидорова, И. С. Давлетшин, И. Н. Лотфуллин, М. В. Коршунов Проблемные вопросы и пути их решения при проведении реверс-инжиниринга узлов компрессорных машин DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-53-60 Значительная часть компрессорного парка России состоит из центробежных и винтовых компрессоров иностранного производства, которые с наработкой и амортизацией требуют ремонта согласно регламенту или модернизации из-за изменившихся технологических условий эксплуатации. Поступление запасных частей, необходимых для проведения ремонта, усложнилось из-за удорожания или отсутствия логистики. Это приводит к проблеме поддержания компрессорного оборудования в рабочем состоянии или его простаиванию. Изготовление запасных частей проблематично из-за отсутствия у эксплуатирующих организаций конструкторской документации. Предложение специалистами АО «НИИтурбокомпрессор им. В. Б. Шнеппа» услуг по реверсинжинирингу запасных деталей и узлов компрессоров позволяет улучшить и решить проблему поддержания эффективного состояния иностранного оборудования. При этом в статье описаны проблемы, которые возникают при проведении реверс-инжиниринга роторов центробежных и винтовых компрессоров, пространственного профиля рабочих колес и подшипников жидкостного трения. Указаны основные моменты, способствующие успешному выполнению задач по реверс-инжинирингу, определена точность 3D-сканирования, а также представлены способы задания номинальных размеров и допусков отклонения. Ключевые слова: компрессор, замена оборудования, реверс-инжиниринг, точность 3D-сканирования, ротор компрессора, рабочее колесо, опорный и упорный подшипники скольжения.	53–60
О. А. Соловьёва, И. С. Шариков, Н. И. Садовский Сопоставление методик учёта реальности газа и их влияние на газодинамические характеристики центробежного компрессора газоперекачивающего агрегата DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-61-68 При проектировании компрессоров необходимо производить учёт реальности рабочего тела, так как при расчёте компрессора по моделям идеального газа возникают сильные отклонения рабочих параметров от рассчитанных, что может привести к невыполнению технического задания, а также к образованию нестационарных процессов. Правильный выбор методики учёта реальности газа позволяет максимально приблизить расчётные данные к экспериментальным. Таким образом, выбор наиболее точной методики учёта реальности газа позволяет предсказать экспериментальные характеристики проектируемого компрессора ещё до проведения физических испытаний. Существует множество методик, позволяющих учесть реальность газа, а именно рассчитать по эмпирическим формулам фактор сжимаемости. В данной работе приведено сравнение четырех методик и выполнен расчет центробежного компрессора с учетом полученных по данным методикам значений фактора сжимаемости. Приведено сравнение рассчитанных газодинамических характеристик с экспериментальными данными и выявлены расхождения при разных оборотах ротора. Ключевые слова: идеальный газ, фактор сжимаемости, метан, показатель адиабаты, природный газ, реальность газа, центробежный компрессор.	61–68
Е. В. Филимонов, Л. Н. Маренина, А. А. Дроздов, Н. И. Садовский Опыт применения 3Д-сканирования и CFD-расчетов для исследования течения в рабочем колесе многовального центробежного компрессора и проведения оптимизации DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-69-79 В работе представлен анализ полуоткрытых центробежных рабочих колес трехступенчатого многовального компрессора. Проведено 3Д-сканирование геометрии рабочих колес, произведен CFD-расчет на проектном режиме работы компрессора, проведен анализ полученных результатов. Выявлены проблемы с рабочим колесом второй ступени. Далее геометрия всех трех колес оптимизирована при помощи модуля Design Exploration программного комплекса Ansys CFX, получено повышение КПД и улучшение картины течения. Ключевые слова: центробежный компрессор, рабочее колесо, вычислительная газовая динамика, КПД, оптимизация, коэффициент потерь.	69–79

АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА

И. Ю. Лесняк Экспериментальные исследования вскрытия течей в сварном шве замкнутой ёмкости при тепловом и акустическом воздействии DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-80-89 Для проведения экспериментальных исследований процесса осушки замкнутой ёмкости с учетом вскрытия канала течи в сварном шве спроектированы и изготовлены экспериментальный исследовательский стенд, экспериментальная ёмкость и экспериментальные образцы с модельными течами разного размера. Сформулирована научная проблема экспериментальных исследований, разработаны программа и методики проведения экспериментов. Сформированы требования к метрологическому оборудованию и определена погрешность измерений температуры, влажности и давления. Проведены предварительные эксперименты по смачиванию экспериментальной ёмкости и экспериментальных образцов модельной жидкостью и закупориванию каналов течи, а также по осушке внутренней поверхности стенки экспериментальной ёмкости конвективным потоком газа и кондуктивным нагревом стенки до момента вскрытия закупоренных жидкостью каналов течи. Получены зависимости изменения температуры жидкости, воздуха, стенки экспериментальной ёмкости, экспериментальных образцов и давления в экспериментальной ёмкости по времени проведения эксперимента при смачивании и осушке экспериментальной ёмкости и экспериментальных образцов. Определены параметры теплового воздействия, при которых происходит вскрытие каналов течи за установленное время. Ключевые слова: канал течи, осушка ёмкости, эксперимент, ультразвук, пониженное давление, капилляр.	80–89
Р. А. Пешков, А. С. Шметкова, О. В. Исправникова, Ю. Л. Сюськина Анализ влияния выбора модели турбулентности на параметры взаимодействия сверхзвуковой струи с преградой DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-90-97 В связи с интенсивным нагружением элементов стартовых сооружений при воздействии на них струй ракетных двигателей очевидна необходимость определения газодинамических, тепловых и других нагрузок, возникающих при старте ракеты-носителя. Численное моделирование с помощью прикладных программ является одним из широко используемых способов их расчёта, так как физическое моделирование требует существенных затрат ресурсов. В исследовании проанализирован случай взаимодействия одиночной сверхзвуковой струи газа с плоской преградой, ориентированной перпендикулярно направлению струи. Приведены дифференциальные уравнения, описывающие движение сжимаемого вязкого теплопроводного газа (уравнения Навье–Стокса), и описан метод осреднения их по Рейнольдсу. Рассмотрены некоторые одно и двухпараметрические модели турбулентности, основанные на уравнениях Рейнольдса. Проведено численное моделирование процесса натекания сверхзвуковой струи воздуха из сопла Лаваля на плоскую алюминиевую преграду, расположенную перпендикулярно оси струи. Для анализа влияния выбора модели турбулентности на распределение числа Маха и давление на преграде был использован программный пакет ANSYS Fluent. Сравнение результатов исследования с экспериментальными данными показало, что наиболее точные результаты получены при использовании модели турбулентности k-ω SST. Ключевые слова: сверхзвуковая струя, газовая динамика, ракетные комплексы, дифференциальные уравнения, турбулентное течение, ANSYS Fluent.	90–97
В. А. Урбанский, А. А. Петрук Теоретико-экспериментальные исследования влияния параметров газового потока на унос капель жидкости из экспериментальной ёмкости DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-98-106 На основе математического моделирования получены значения скоростей над поверхностью жидкости в экспериментальной ёмкости для обеспечения условия отрыва и уноса капель. Разработана программа физических экспериментов по уносу капель жидкости из экспериментальной ёмкости. Проведено физическое моделирование уноса капель жидкости из экспериментальной ёмкости, которое показало, что процент отделения жидкой фазы сепаратором увеличивается с увеличением температурного режима входного газового потока. При температуре входного газового потока равной 20 ºС процент отделения составил 62 %, при 30 ºС — 69 %, при 35 ºС — 70 %, при 40 ºС — 78 %. Ключевые слова: центробежный сепаратор, капли жидкости, скорость газового потока, критерии подобия, параметры газового потока, двухфазный поток, унос капель жидкости, пассивация.	98–106
В. В. Федянин, В. В. Шалай, П. С. Ячменев, И. С. Вавилов Разработка стенда для измерения тяги реактивных микродвигателей на основе машинного зрения DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-107-115 В представленной работе рассмотрены вопросы измерения тяги микродвигателей космических аппаратов. Разработана программа определения тяги двигателя на основе машинного зрения. Составлена математическая модель механической части стенда. Проведено численное моделирование составленной системы уравнений. Результаты моделирования обрабатывались с помощью разработанной программы. Относительная погрешность рассогласования составила не более 5 %. Проведены натурные эксперименты и измерены уровни тяги ионного двигателя. Показан сравнительный анализ полученных результатов эксперимента с математической моделью. Проведены экспериментальные исследования по определению тяги прототипа электродугового двигателя с помощью стенда на основе машинного зрения и с помощью стенда на основе датчика перемещений. Расхождение результатов величины силы тяги составило не более 5,6 %. Ключевые слова: ионный двигатель, электродуговой двигатель, реактивный двигатель, стенд измерения тяги, малый космический аппарат, машинное зрение.	107-115
А. Б. Яковлев Математическое описание процессов в насосной системе подачи топлива в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-116-122 В статье рассматривается математическая модель насосной системы подачи топлива в камеру жидкостного ракетного двигателя, состоящей из активной и пассивной частей гидравлической системы. Получено дифференциальное уравнение, описывающее процессы, происходящие в системе топливоподачи, которое позволяет провести динамический анализ и выявить основные закономерности влияния на регулируемую величину задающего и возмущающих воздействий, а также получить переходные процессы от этих воздействий. Ключевые слова: динамические процессы, жидкое ракетное топливо, топливный насос, форсуночная головка, топливные магистрали, активная часть гидросистемы, пассивная часть гидросистемы, переходный процесс.	116-122
Е. С. Фисенко Обзор методов сертификации беспилотных воздушных судов DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-123-127 Сертификация высокотехнологичных продуктов, таких как беспилотные воздушные суда, занимает достаточную часть временных и материальных ресурсов для разработчиков и производителей, что неизбежно приводит к замедлению выпуска продукции. В статье проанализированы методы сертификации беспилотных воздушных судов, существующие на данный момент, в некоторых странах. Также выявлены существующие сложности в получении сертификации и прохождении испытаний для ее получения. Для упрощения прохождения испытаний предложено внедрение технологии цифрового двойника как менее ресурсозатратной процедуры. Данная статья может быть полезна как разработчикам и производителям, так и центрам по сертификации. Ключевые слова: сертификация, беспилотное воздушное судно, цифровой двойник, цифровая модель, летные испытания, летная годность.	123-127

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Е. А. Рогачев, А. А. Каленчук
Разработка электропроводного полимерного композита на основе линейного
полиэтилена низкой плотности, модифицированного высокоструктурным
техническим углеродом
DOI: 10.25206/2588-0373-2024-8-3-128-134
Экспериментально исследованы разработанные полимерные композиты на основе линейного полиэтилена
низкой плотности, модифицированного техническим углеродом марки OMCARB CH85. Комплексный анализ
свойств композитов показал, что применение данного вида наполнителя обеспечивает перколяционный переход
при 25 % массовых долей наполнителя, в результате которого удельное сопротивление уменьшается на восемь
порядков. Для образцов с меньшей концентрацией характерны значения электросопротивления, соответствующие
диэлектрикам. При достижении концентрации наполнителя, равной 20 % масс., наблюдается максимальная
жесткость материала, а характер растяжения меняется с пластичного на хрупкий. Электронная микроскопия
образцов указывает на сетчатую микроструктуру полимерной матрицы, в которую встраиваются частицы
технического углерода и действуют как центры кристаллизации. В результате чего происходит усиление
механических свойств и электропроводности композита.

Ключевые слова: электропроводный технический углерод, линейный полиэтилен низкой плотности,
электропроводные полимерные композиты, структура полимерных композитов, механические свойства
полимерных композитов, изготовление полимерных композитов, электронная микроскопия полимеров.

128-134