667
.pdf
Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия
References
1.Antsiferov V.N., Malinin V.I., Porozova S.E., Kryukov A.Yu. Termodinamicheskiy analiz vozmozhnosti polucheniya ultradispersnykh oksidov Y, Ce i Sr metodom szhiganiya aerovzvesey poroshkov metallov [Thermodynamic analysis of possibility to obtain ultradisperse oxides Y, Ce and Sr by method of burning of aero suspensions of powders of metals]. Aerokosmicheskaya tekhnika i vysokie tekhnologii. Tezisy dokladov VII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii. Perm: Permskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2004, p. 22.
2.Malinin V.I. Vnutrikamernye protsessy v ustanovkakh na poroshkoobraznykh metallicheskikh goryuchikh [Intrachamber processes in plants with metallic powder fuel]. Ekaterinburg; Perm: Uralskoe otdelenie Rossiyskoy akademii nauk, 2006.
3.Kryukov A.Yu. Adaptatsiya vnutrikamernykh protsessov i elementov konstruktsii pryamotochnykh vozdushno-reaktivnykh dvigateley na poroshkovom goryuchem dlya konversionnogo ispolzovaniya [Adaptation of intrachamber processes and design elements of ramjets with powder fuel for conversion application]. Perm: Permskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2004, 18 p.
4.Kryukov A.Yu., Malinin V.I., Yarushin S.G. Otsenka vozmozhnosti promyshlennogo proizvodstva vysokodispersnykh poroshkov metodom szhiganiya gazovzvesey poroshkovykh materialov [Assessment of possibility of industrial production of high-disperse powders by method of gas suspension burning of powder materials]. Raketnye dvigateli i problemy osvoeniya kosmicheskogo prostranstva. Moscow: TORUS PRESS, 2005, vol. 1, pp. 433– 443.
5.Kryukov A.Yu. Adaptatsiya vnutrikamernykh protsessov i elementov konstruktsii energoustanovok na poroshkovom goryuchem k tekhnologiyam polucheniya ultra- i nanodispersnykh materialov [Adaptation of intrachamber processes and design elements of power plants with powder fuel to production technologies of ultraand nanodisperse materials]. Perm: Permskiy natsionalnyy issledovatelskiy politekhnicheskiy universitet, 2011, 236 p.
6.Merzhanov A.G. Nauchno-tekhnicheskie razrabotki v oblasti samorasprostranyayushchegosya vysokotemperaturnogo sinteza. Spravochnik
[Scientific and technical development in field of self-extending hightemperature synthesis. Handbook]. Chernogolovka, 1999, pp. 184–185.
121
Д.А. Болховских, В.И. Малинин, Р.В. Бульбович
7.Malinin V.I., Kolomin E.I., Antipin I.S. Vosplamenenie i gorenie aerovzvesi alyuminiya v reaktore vysokotemperaturnogo sinteza poroshkoobraznogo oksida alyuminiya [Ignition and burning of an aero suspension of aluminum in the reactor of high-temperature synthesis of powdery oxide of aluminum]. Fizika goreniya i vzryva, 2002, vol. 38, no. 5, pp. 41–51.
8.Malinin V.I. Poluchenie oksida s zadannymi svoystvami metodom szhiganiya aerovzvesi poroshka alyuminiya [Obtaining oxide with the specified properties by method of burning of an aero suspension of aluminum powder]. Perm: Permskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 2003, 16 p.
9.Kolomin E.I., Malinin V.I., Obrosov A.A. Vliyanie usloviy smesheniya i goreniya aerovzvesi alyuminiya na dispersnyy sostav produktov sgoraniya [Influence of conditions of mixing and burning of an aero suspension of aluminum on disperse structure of combustion products]. Vnutrikamernye protsessy, gorenie i gazovaya dinamika dispersnykh sistem. Mezhdunarodnaya shkola-seminar. St. Petersburg: Baltiyskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, 1995, pp. 136–141.
10.Alemasov V.E., Dregalin A.F., Tishin A.P. Teoriya raketnykh dvigateley [Theory of rocket engines]. Ed. V.P. Glushko. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 268 p.
11.Rusinov G.V., Zemerev E.S. Ustroystvo forkamery opytnopromyshlennoy ustanovki sinteza nanoultradispersnogo oksida alyuminiya
[Apparatus of prechamber of experimental-industrial plant for synthesis of nanoultradisperse aluminum oxide]. Aerokosmicheskaya tekhnika, vysokie tekhnologii i innovatsii – 2011. Perm: Permskiy natsionalnyy issledovatelskiy politekhnicheskiy universitet, 2011, pp. 33–34.
Об авторах
Болховских Денис Александрович (Пермь, Россия) – аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические установки» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dentka06@mail.ru).
Малинин Владимир Игнатьевич (Пермь, Россия) – доктор тех-
нических наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические установки» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь,
Комсомольский пр., 29, e-mail: malininvi@mail.ru).
Бульбович Роман Васильевич (Пермь, Россия) – доктор тех-
нических наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника
122
Исследование составов металлогазовых смесей для получения оксида алюминия
и энергетические установки», декан аэрокосмического факультета ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dekan_akf@pstu.ru).
About the authors
Bolkhovskikh Denis Aleksandrovich (Perm, Russian Federation) – postgraduate student, Department of Rocket and Space Technology, Generating Units, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: dentka06@mail.ru).
Malinin Vladimir Ignatevich (Perm, Russian Federation) – Doctor of Technical Sciences, Department of Rocket and Space Technology, Generating Units, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: malininvi@mail.ru).
Bulbovich Roman Vasilyevich (Perm, Russian Federation) – Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Rocket and Space Technology, Generating Units, Dean of Aerospace Faculty, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: dekan_akf@pstu.ru).
Получено 3.09.2012
123
Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2012. № 33
УДК 620.162
Ю.А. Туктамышева
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ МАСЛЯНОЙ СИСТЕМЫ АВИАЦИОННОГО ГТД
Показана значимость проблемы очистки масляной системы для авиационного газотурбинного двигателя (ГТД). Проведен анализ существующих и перспективных способов очистки масляных систем турбомашин: рассмотрены гидродинамический, термогидродинамический, магнитогидродинамический, пневмогидроимпульсный, турботермопневмогидроимпульсный, воднохимический и механический способы очистки. Выявлено, что самым распространенным способом очистки турбомашин является гидродинамический способ, который применяется и для авиационного ГТД. В качестве примера описан гидродинамический способ очистки, применяемый на ОАО «Пермский моторный завод». Также выявлено, что для летательных аппаратов применяется магнитогидродинамический способ очистки. Использование магнитогидродинамического способа очистки не так распространено, как гидродинамического способа, но он является одним из перспективных способов очистки. Из всего многообразия способов очистки не выявлено способа, разработанного конкретно для авиационного ГТД. Проведенный анализ применения гидродинамического способа очистки на ОАО ПМЗ выявил, что применяемый способ не всегда эффективен. Показана объективная необходимость улучшения гидродинамического способа очистки для очистки масляной системы авиационного ГТД на ОАО ПМЗ. Из анализа существующих и перспективных способов очистки выявлено, что улучшение способов очистки турбомашин направлено по пути увеличения скорости потока промывающей жидкости, создания турбулентного течения, включающего в себя кавитацию и вибрацию; увеличения температуры промывающей жидкости; создания термошокового эффекта и гидроудара. Для того чтобы учесть большинство вышеперечисленных критериев, используется гидродинамический способ очистки. Выбран дальнейший путь исследования – проведение факторного эксперимента, направленного на улучшение качества очистки и повышение эффективности очистки масляной системы авиационного ГТД.
Ключевые слова: масляная система, чистота жидкости, авиационный газотурбинный двигатель, способ очистки, гидродинамический способ очистки, турбулентное течение, кавитация, вибрация, гидроудар, термошоковый эффект.
Yu.A. Tuktamysheva
Perm National Research Polytechnic University
ANALYSIS OF EXISTING AND PROMISING METHODS FOR CLEANING OF AVIATION GTE OIL SYSTEM
The significance of the problem of cleaning the oil system for an aircraft gas-turbine engines (GTE) is showed. The analysis of existing and promising methods of cleaning oil systems turbomachinery has been executed. Hydrodynamic, thermo-hydrodynamic, magnetohydrodynamic, pnevmogidroimpulsny, turbo-thermo-pnevmogidroimpulsny, water chemistry and mechanical cleaning methods have been reviewed. It is revealed that the common method of purification of turbomachinery is the hydrodynamic method, which is used also for aviation GTE. As an example, the hydrodynamic method of purifi-
124
Анализ способов очистки масляной системы авиационного ГТД
cation used in the "Perm Engine Company" is described. It is also detected that magnetohydrodynamic method of cleaning is used for the flying vehicles. The using of magnetohydrodynamic method for cleaning is not widespread as the hydrodynamic method, but it is one of the most promising ways to clean. From all variety of ways of cleaning it is not revealed a way developed specifically for aviation GTE. Conducted analysis of hydrodynamic way of cleaning used at the JSC PMZ is not always effective. Objective need of improvement of a hydrodynamic way of cleaning for aviation GTE oil system at the JSC PMZ is shown. The analysis of existing and perspective ways of cleaning show that improvement of ways of turbomachines cleaning is directed by the way of increase in speed of a stream of washing-out liquid, creation of the turbulent flow including cavitation and vibration; increases in temperature of washing-out liquid; creations of thermoshock effect and hydroblow. To consider the majority of above-mentioned criteria, the hydrodynamic way of cleaning is used. Factorial experiment directed on improvement of quality and efficiency of cleaning of aviation GTE oil system is chosen as a further way of research.
Keywords: oil system, the purity of the liquid, aviation gas turbine engine, the method of purification, hydrodynamic cleaning method, turbulent flow, cavitation, vibration, hydroblow, thermal shock effect.
В процессе разборки, экспериментальной доводки, а также при производстве авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) необходимо проводить большой объем испытаний и подготовительных работ на различных стендах [1]. Значительную долю трудоемкости составляют операции очистки масляной системы от технологических и эксплуатационных загрязнений. Тщательная очистка (промывка) масляной системы также требуется для удаления загрязнений, появившихся при сборке авиационного ГТД [2].
Трубопроводные коммуникации маслосистемы в настоящее время обеспечивают выполнение наиболее важных и сложных функций ГТД, содержат десятки и даже сотни агрегатов, на ресурс и безотказность работы которых крайне негативное влияние оказывают твердые частицы загрязнений. Кроме того, редукторы и подшипники периодически нужно очищать от присутствующих в масле эксплуатируемого ГТД осадка, ржавчины, влаги, металлических частиц износа, геля или других вязких остатков.
Масляная система ГТД автономна, и на большинстве режимов двигатель снабжается маслом от своей собственной системы. Но на стендах предусматривается отдельная масляная система, предназначенная для проведения стационарных испытаний двигателя на прогретом или охлажденном масле. Она включает в себя масляный бак, насосы подачи и водяные теплообменники, в которых может быть обеспечен подогрев масла до 80 °С. В системе имеются фильтры тонкой очистки до 5 мкм, уловители стружки и магнитные пробки. В процессе работы измеряются давление, температура и расход масла. При работе по замкнутому циклу периодически отбираются пробы масла для его анализа [1].
125
Ю.А. Туктамышева
В итоге масляная система стенда должна обеспечивать:
1)бесперебойную подачу масла к испытуемому двигателю;
2)измерение расхода масла с точностью до 0,5 %;
3)очистку масла;
4)пожарную безопасность;
5)измерение давления масла с точностью до 1 % [1].
Кроме перечисленных параметров, при испытании масляной системы ГТД проверяется герметичность масляной системы ГТД и наличие загрязнений в масляной системе ГТД. Испытания на герметичность проводят с целью определения степени негерметичности изделий и их элементов, а также выявления отдельных течей (ГОСТ 24054–80. Методы испытаний на герметичность. Общие требования). Прокачка на чистоту масляной системы ГТД проводится маслом с целью очистки от загрязнений масляных коммуникаций и подшипниковых полостей собранного ГТД перед предъявительскими и приемо-сдаточными испытаниями, а также в случае частичной переборки изделия с вскрытием масляных полостей.
Значительную долю процессов очистки масляной системы ГТД при ремонте составляют технологии, содержащие большой объем ручного труда.
Указанные процессы диктуют необходимость их детального изучения и автоматизации, которая возможна только на основе базовых научных знаний и необходимого объема исследований. Поэтому большое значение имеет разработка высокоэффективных технологий обеспечения чистоты изделий.
Проблемы, связанные с процессами очистки масляной системы при ремонте ГТД авиационного применения, носят сложный характер. Сложность вопросов, связанных с очисткой масляной системы ГТД при ремонте, обусловлена тем, что технология очистки должна быть высокопроизводительной и обеспечивать требуемый класс чистоты (для авиации не менее 9 класса чистоты по ГОСТ 17216–2001).
Целью данной работы является определение эффективного способа очистки маслосистемы авиационного ГТД.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1.Провести анализ существующих методов очистки масляных систем турбомашин.
2.Оценить эффективность применяемого метода на ОАО ПМЗ.
3.Обосновать и принять пути дальнейшего исследования.
126
Анализ способов очистки масляной системы авиационного ГТД
Анализ методов очистки масляной системы ГТД
1. Гидродинамический метод очистки заключается в использовании пульсирующего потока моющей жидкости с гармоническими колебаниями давления и расхода (ГОСТ 31303–2006. Чистота промышленная. Метод очистки гидродинамический газовых и жидкостных систем машин и механизмов от загрязнителей).
Суть этого способа состоит в прокачке масла по специально организуемым (выделяемым) контурам с повышенной скоростью, достаточной для возникновения развитой турбулентности, необходимой для качественной очистки маслосистемы. Эффективность данного способа очистки проверялась в энергетике: качественной очистки всего напорного коллектора и тем более сливного, незаполняемого коллектора обеспечить не удалось, хорошо очищались лишь короткие напорные маслопроводы малого диаметра от напорного коллектора к подшипникам. Недостатками этого способа, по данным применения в электроэнергетике, является увеличение вероятности залповых выбросов загрязнений в подшипники турбоагрегатов; большая длительность промывки из-за низкой эффективности. Преимуществом этого способа очистки является его относительная простота и дешевизна [3].
Мировой опыт показывает распространенность гидродинамического метода очистки, например термогидроциклический способ очистки [3]. Способ очистки маслосистемы турбомашины, осуществляемый путем периодической подачи в систему штатными насосами предварительно подогретого до предельно допустимой температуры масла, затем его охлаждения. Недостатком этого способа является его продолжительное время, так как требуется большое число циклов для охлаждения и подогрева масла [4]. Похожий способ очистки был запатентован в России [5]. Способ очистки маслосистемы турбомашины, состоящий в подаче в нее предварительно подогретого до предельно допустимой температуры масла, а затем его резком охлаждении. В этом способе с целью интенсификации процесса очистки и улучшения его качества при достижении трубопроводами температуры масла удаляют масло из маслопроводов. Затем производят подачу в сливной коллектор химически инертного по отношению к металлу и маслу охладителя (например, сжиженного азота), а после охлаждения трубопроводов маслосистемы до температуры, допустимой по условиям эксплуатации, подают снова подогретое масло и чередуют эти опера-
127
Ю.А. Туктамышева
ции до полной очистки маслосистемы. Этот способ позволяет ускорить отслоение загрязнений от внутренней поверхности сливного коллектора, не обеспечивая их эффективного выноса в маслобак. Недостатком этого способа является также длительное время очистки [5].
Еще одним из примеров мировой практики является импульсноволновой метод очистки [6]. Метод промывки маслосистемы турбины и компрессора включает в себя не только прокачку маслом, компания Ocean Team Group разработала ряд существенных улучшений в процессе промывки, сократив время промывки и повысив уровень чистоты. OTG является независимой компанией, специализирующейся на «общих решениях по чистоте» для различных производств, продаже практически всех видов установок для очистки масляных систем. Специалисты компании делают упор на три главных составляющих промывки: фильтрации (5 мкм), скорости потока, вязкости/температуре прокачиваемого масла. Их способ промывки основывается на турбулентном течении и включает в себя кавитацию и вибрацию. Промывочное масло подвергается импульсам, вызванным внезапным и контролируемым сжатием, что создает турбулентный поток, тем самым повышается число Рейнольдса (Re > 3000) в системе трубопроводов. В результате выбиваются загрязнения с внутренних стенок маслосистемы, которые осаждаются на фильтрах. Кроме того, создается вибрация внутри системы, в масляном потоке, что значительно улучшает процесс очистки. Использование тепловых ударов, фильтров большей емкости, которые улавливают конденсат, повышает эффективность очистки системы. Преимуществом данного способа является эффективная очистка при относительно малом времени прокачки [6].
2. Термогидродинамический метод – способ очистки маслосис-
темы турбомашины, по которому маслосистему тщательно герметизируют, уплотняют все разъемы, масло в маслобаке обескислороживают, например путем продувки масла инертным газом (азотом), после чего нагревают до температуры 120–130 °С и прокачивают через маслосистему, а после его прокачки с максимальным расходом весь объем масла охлаждают и опять прокачивают по маслосистеме. Прокачиванием масла с повышенными скоростями и инжектированием в поток диспергированного газа получают термошоковый эффект. Вследствие термошокового эффекта происходит интенсивное отслоение загрязнений от стенок трубопроводов. Этот способ очистки маслосистемы был
128
Анализ способов очистки масляной системы авиационного ГТД
разработан для применения в теплоэнергетике. Недостатками способа являются сложность работ по герметизации системы и охлаждению всего объема масла непосредственно в маслобаке; необходимость в большом числе циклов, так как требуется продолжительное время на охлаждение трубопроводов [7].
3. Магнитогидродинамический метод – метод очистки каналов трубопроводных систем летательных аппаратов, при котором создается магнитное поле поперек потока электропроводной жидкости. К электропроводным жидкостям можно отнести водные моющие растворы, которые используют на начальных этапах производства, и ряд синтетических жидкостей. Процесс наложения магнитного поля поперек потока электропроводной жидкости приводит к увеличению скоростей вблизи стенок канала. Эффективность магнитогидродинамической очистки высокая (при числах Гартмана более 10) по сравнению
сдругими методами очистки (очисткой пульсирующим, газожидкостным и закрученным потоком жидкости) [8].
4.Пневмогидроимпульсный метод – способ очистки маслосис-
темы турбомашины путем поочередной импульсной прокачки предварительно подогретого до предельно допустимой температуры масла и вдувания в него мелкодисперсного газа (воздуха). Изобретение относится к области энергоэнергетики. Способ очистки маслосистемы турбомашины осуществляется устройством, содержащим маслобак, пусковой насос, напорный и сливной трубопроводы, промывочный инжектор, подсоединенный нагнетательным соплом к напорному трубопроводу, а также источник сжатого воздуха, воздух от которого подается в инжектор через золотник. Золотник выполнен вращающимся и жестко скрепленным с пульсатором давления. Пульсатор давления установлен во всасывающем патрубке инжектора и выполнен в виде поворотной заслонки. В камере смешения инжектора образуется масловоздушная смесь, которая в режиме пульсирующего течения ударно воздействует на частицы загрязнений (гидроудар) и отрывает их от внутренних поверхностей маслопроводов. К недостаткам способа очистки автор относит то, что давления воздуха от штатной компрессорной установки (воздух подается в горловину инжектора в виде активной среды) явно недостаточно для создания масловоздушного потока
сповышенным напором и скоростью, необходимой для возбуждения режима развитой турбулентности. Кроме того, при подаче воздуха
129
Ю.А. Туктамышева
в горловину (зону пониженного давления) порциями, приобретающими в узком месте (горловине) форму пробок или застрявших «снарядов», происходит общее снижение скорости потока. Такое течение потока приводит к гидроударам и сопровождается механической тряской трубопроводов, что и способствует очистке. Однако это может привести как к разуплотнениям в местах сварки и фланцевых соединений, так и к повреждениям в местах корпусных соединений [9]. Опыт применения в электроэнергетике показал, что сливные маслопроводы не отмываются (как и по гидродинамическому способу), при этом в сливном коллекторе загрязнения могут «складироваться», что чрезвычайно опасно. В случае возникновения вибрации на турбоагрегате автоматически происходит вибрация маслопроводов, накопившиеся загрязнения могут быть вынесены к подшипникам и привести к аварии. Последнее подтверждается имевшими место случаями [10].
5. Турботермопневмогидроимпульсный метод – способ очист-
ки маслосистемы турбомашины путем поочередной импульсной прокачки предварительно подогретого до предельно допустимой температуры масла и вдувания в него мелкодисперсного газа (воздуха). Этот способ отличается тем, что в предварительно опорожненные от масла трубопроводы, имеющие температуру не выше температуры окружающего воздуха, резко подают поток горячего масла. Причем этот поток для увеличения термошокового эффекта в пристенной зоне через плоское суживающееся сопло направляют по касательной к внутренней образующей поверхности цилиндрического корпуса промывочного инжектора-улитки, совпадающей с внутренней поверхностью промываемого трубопровода. При этом образуют торнадообразный масловоздушный вихрь, дополнительно воздействующий центробежной силой на слой прилипших к поверхности отложений, а осевой вектор подачи сжатого воздуха через кольцевой рассекатель-конфузор обеспечивает результирующий (суммарный) вектор направления движения вращающегося вихря с возросшей кинетической энергией по спирали; вихрь движется внутри промываемого маслопровода по внутренней его поверхности. Способ отличается тем, что сжатый воздух из бакааккумулятора вдувают через кольцевой рассекатель-конфузор, обеспечивающий направление в пристенную зону по кольцу с возросшей кинетической энергией, а давление изменяют импульсно клапаномзаслонкой, обеспечивающей в масловоздушном вращающемся потоке
130