УЧРЕДИТЕЛЬ ЖУРНАЛА ООО «ВОРОНЕЖСКАЯ...

УЧРЕДИТЕЛЬ ЖУРНАЛА ООО «ВОРОНЕЖСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ»

Дирек тор Повеквечных Сергей Алексеевич,

к. э. н. (г. Воронеж)Главный ред ак тор

Аксенов Станислав Петрович, д. т. н., профессор (г. Воронеж)

О тветс твенный секретарь Соколова Наталия Николаевна (г. Воронеж)

Ред акционна я кол легия Бахарева Виктория Ефимовна,

д. т. н., профессор (г. Санкт-Петербург)Белоусов Анатолий Иванович, д. т. н., профессор (г. Самара)Валюхов Сергей Георгиевич,

д. т. н., профессор (г. Воронеж)Горячева Ирина Георгиевна,

д. ф.-м. н., профессор, академик РАН (г. Москва)Гуров Валерий Игнатьевич,

д. т. н., профессор (г. Москва)Караханьян Владимир Карпович,

д. т. н., профессор (г. Москва)Красневский Леонид Григорьевич,

д. т. н., профессор, член-корреспондент НАН Беларуси (г. Минск)

Кретинин Александр Валентинович, д. т. н., профессор (г. Воронеж)Махутов Николай Андреевич,

д. т. н., профессор, член-корреспондент РАН (г. Москва)

Петров Владимир Иванович, д. т. н., профессор (г. Москва)

Сапронов Юрий Иванович, д. ф.-м. н., профессор (г. Воронеж)

АДРЕС РЕДАКЦИИ 394052, Воронеж, Острогожская, 107

Телефон: (473) 272-76-07 Факс: (473) 272-76-19

http://www.jurnal-nts.ruE-mail: [email protected]

Дизайн Надежда Ермолаева, Юрий Сулеин, Сергей Аксенов

Корректор Виктор Гришин Перевод Валерия Измайлова

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных

технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).

Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-46511 от 02.09.11 г.

Журнал включен в Перечень российских рецензируемых научных изданий, в которых должны

быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата

наук, на соискание ученой степени доктора наук.При перепечатке ссылка на журнал обязательна.

За достоверность информации и сведений, изложенных в статьях, ответственность несут

авторы, за содержание рекламных материалов — рекламодатели.

Выходит 4 раза в год. Цена свободная.

Подписку на журнал можно оформить в почтовых отделениях по каталогу «Пресса России»

Подписной индекс — 43739Издатель ООО ИПЦ «Научная книга».

394040, Воронеж, ул. Заполярная, д. 1а, 50. Отпечатано ООО ИПЦ «Научная книга».

394040, Воронеж, ул. Заполярная, д. 1а, 50. Подписано в печать 30.06.2016.

Заказ 228. Тираж 500 экз.

Журнал включен в Российский индекс научного цитирования

СОДЕРЖАНИЕ

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫДемин С. С., Арсеньева Н. В., Петров Д. Г. Вопросы управления инновационной модернизацией отечественных наукоемких отраслей ........................................................... 3Бахарева В. Е., Никитина И. В., Саргсян А. С. Теплостойкие стеклопластики с высокими прочностными и диэлектрическими свойствами для машиностроения и приборостроения ...........................................................................................13НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙБелоусов А. И., Попов Г. М., Наздрачёв С. В., Комаров О. А., Кокорева О. А. Влияние конструктивных особенностей бандажной полки рабочей лопатки турбины на потери КПД .......................................................................................................21Ануров Ю. М., Коваль В. А., Михайлов В. Е. Применение надроторных устройств лабиринтного типа для повышения эффективности осевых компрессорных ступеней ..............................31Шмотин Ю. Н., Кикоть Н. В., Кретинин Г. В., Лещенко И. А., Федечкин К. С. Исследование термодинамической эффективности силовой установки многорежимного самолета с независимо управляемым третьим контуром ...............................................................................................40Павлов П. В., Малов А. Н., Неупокоева А. В., Лагошный И. С., Попов Ф. Н. Способ и устройство спекл-оптического контроля технического состояния силовых элементов конструкций машиностроения..............................................49Пинчук А. В., Пинчук В. А., Таракановский И. В. Зарядовый канал управления состояниями материальных сред как фактор повышения эффективности двигателей малой авиации......................................................................................................58МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ НАСОСОВ, ТУРБИН, ГИДРОМАШИН, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТОВ И ЭНЕРГОСИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕСапронов Ю. И., Конев В. В. Вычисление и анализ решений краевой задачи Джеффри— Гамеля ........................................67НОВОСТИ РАПНВалюхов С. Г. Об участии аспирантов кафедры НГОТ ВГТУ в работе научно-практического семинара ..............................................74Баулин М. Н., Немтинова Д. А., Оболонская Е. М., Оболонская О. Ю., Шотер П. И. Расчетное исследование течения жидкости в центробежном насосе в среде ANSYS CFX ....75Валюхов С. Г., Галдин Д. Н., Карташов М. К., Попова А. А., Шкурлетова И. И. Создание параметрической замкнутой оптимизационной математической модели подвода магистрального нефтяного насоса на платформе ANSYS WORKBENCH ...........................................................................................................80Солодченков Е. В. Международная выставка PCVEXPO — всегда главное отраслевое событие года, а 15-я юбилейная выставка в новых реалиях — тем более ...................................................86ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ И УСЛОВИЯ ПУБЛИКАЦИИ РУКОПИСЕЙ .........................................................................................................90

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫInformation and analytical documentations

Насосы. Турбины. Системы. №2(19)/2016 • Pumps. Turbines. Systems. No.2(19)/2016 3

УДК 338.4

ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ ИННОВАЦИОННОЙ МОДЕРНИЗАЦИЕЙ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ НАУКОЕМКИХ ОТРАСЛЕЙ

С. С. ДеминПрофессор кафедры анализа рисков и экономической безопасности ФГБОУ ВПО «Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации», д. э. н., доцент (Россия, г. Москва), [email protected]

Н. В. АрсеньеваДоцент кафедры производственного менеджмента ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», к. э. н. (Россия, г. Москва), natars2002@ yandex.ru

Д. Г. ПетровАспирант кафедры производственного менеджмента ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (Россия, г. Москва), kasatik911@ yandex.ru

Предложена и обоснована новая экономическая категория «инновационная модерниза-ция», отражающая системное технико-технологическое и организационно-экономиче-ское обновление наукоемких отраслей экономики России. Авторами раскрыты сущность и содержание понятия «инновационная модернизация», а также проанализированы раз-личные варианты долгосрочных прогнозов развития экономики России применительно к наукоемким отраслям: сценарий догоняющего развития, сценарий разомкнутой нацио-нальной инновационной системы, сценарий создания инновационной среды, сценарий локального технологического лидерства. По результатам анализа обоснована с теорети-ческой точки зрения необходимость замены модели догоняющего развития моделью ин-новационной модернизации, способной обеспечить конкурентные преимущества и инно-вационный прорыв в условиях глобализации. Обоснована целесообразность применения сценария локального технологического лидерства и определен наиболее приемлемый ва-риант стратегического планирования для реализации стратегии инновационной модер-низации.Ключевые слова: инновационная модернизация; принципы инновационной модерниза-ции; управление инновационной модернизацией; наукоемкая отрасль экономики.

Разработка и практическая реализация дол-госрочной стратегии социально-экономическо-го развития, ориентированной на формирование инновационной экономики для России, начиная с 2002 года стали задачей первостепенной важ-ности. Продолжающаяся последние десятилетия стратегия экстенсивного роста экономики, осно-ванная на использовании ограниченных природ-ных ресурсов, представляется сегодня беспер-спективной [1]. Для стабильного и устойчивого экономического роста необходимы иные механиз-мы создания новых, инновационных видов про-

дукции с использованием еще не утраченных на-учно-технического и производственного потен-циалов наукоемких отраслей экономики России.

Одним из стратегических направлений раз-вития отечественной экономики по инновацион-ному пути в современных условиях вполне мо-жет быть модернизация национальной экономи-ки при опережающем развитии отечественных наукоемких отраслей. Речь при этом идет не толь-ко о переходе на пятый, а в перспективе и шестой технологические уклады в данных отраслях эко-номики, но и о придании им решающей роли в ин-новационном обновлении и всех остальных от-раслей отечественной промышленности [2].

THE MAGAZINE IS FOUNDED BY “VORONEZH INTERNATIONAL CONFERENCE” LTD.

D irec tor Povekvechnykh Serguey, PhD (Voronezh)

Chef Editor Aksionov Stanislav,

doctor of technical sciences, professor (Voronezh)

S ecretar y Sokolova Natalia (Voronezh)

Editorial b oard Bakhareva Victoria,

doctor of technical sciences, professor (Saint-Petersburg)

Belousov Anatoly, doctor of technical sciences, professor (Samara)

Valyukhov Serguey, doctor of technical sciences, professor (Voronezh)

Goryacheva Irina, doctor of physical and mathematical sciences,

professor, academician of RAS (Moscow)

Gurov Valery, doctor of technical sciences, professor (Moscow)

Karakhanian Vladimir, doctor of technical sciences, professor (Moscow)

Krasnevskii Leonid, doctor of technical sciences, professor, corresponding

member of NAS of Belarus (Minsk)

Kretinin Alexander, doctor of technical sciences, professor (Voronezh)

Makhutov Nikolay, corresponding member of RAS (Moscow)

Petrov Vladimir, doctor of technical sciences, professor (Moscow)

Sapronov Yury, doctor of physical and mathematical sciences,

professor (Voronezh)

EDITORIAL OFFICE 107, Ostrogozhskaya st., 394052, Voronezh, Russia

Telephone: 7(473) 272-76-07 Fax: 7(473) 272-76-19

http://www.jurnal-nts.ru E-mail: [email protected]

Design Nadejda Ermolaeva, Yury Sulein, Serguey Aksionov

Corrector Victor Grishin

Translation Valeriya Izmaylova Magazine is reiterated by Federal Control information communications, information technologies and mass media communications Service of (Roscomnadzor).

Registration certificate ПИ № ФС77-46511 from September 02, 2011

The magazine is included in the List of the Russian reviewed scientific publications, where main scientific

results of dissertations for Candidate of Science degree, and for Doctor of Science degree should be published.

The reprinting is possible only if there is a reference to ma gazine. Authors are responsible for articles

information authenticity, advertisers are responsible for the publicity information.

The magazine is published 4 times a year. Price is indeterminated.

You can formalize the subscription to the magazine in catalogue «Russian Press»

Subscription number – 43739

Publisher Research Center «Scientific book». 1а, 50, Zapoliarnaya str., 394040, Voronezh.

Printed in Publication Center «Scientific book». 1а, 50, Zapoliarnaya str., 394040, Voronezh.

Signed for printing in June 30, 2016. Order 228. Edition 500 copies.

The Magazine Is Included Into The Russian Science Citation Index © Демин С. С., Арсеньева Н. В., Петров Д. Г., 2016

TABLE OF CONTENTS

INFORMATION AND ANALYTICAL DOCUMENTATIONS

Demin S. S., Arsenjeva N. V., Petrov D. G. Questions of management of innovative modernization of domestic knowledge-intensive branches .......................................................................... 3Bakhareva V. E., Nikitina I. V., Sargsyan A. S. A Heat-Resistant Fiberglass With High Strength And Dielectric Properties For Mechanical Engineering And Instrument Making Industry ...................13

SCIENTIFIC RESEARCHES AND SCIENTIFIC AND TECHNICAL DESIGNS IN SPHERE OF INNOVATIVE TECHNOLOGIES MANUFACTURING AND APPLICATION

Belousov A. I., Popov G. M., Nazdrachev S. V., Komarov O. A., Kokoreva O. A. Influence Of The Design Features Of Turbine Shrouded Blades On The Losses Of Efficiency ....21Anurov Y. M., Koval V. A., Mikhailov V. E. Aplication Of The Over Rotor Devices Of Labyrinth Type To Increase Efficiency Of Axial Compressor Stages ..............................................................................31Shmotin Y. N., Kikot N. V., Kretinin G. V., Leschenko I. A., Fedechkin K. S. Research Of Thermodynamic Efficiency Of The Power Plant Of The Multimode Plane With Independently Operated Third Stream ........................................................................................40Pavlov P. V., Malov A. N., Neupokoeva A. V., Lagoshny I. S., Popov F. N. The Method And The Device Of The Speckle-Optical Monitoring Of The Power Elements Technical Status Of Mechanical Engineering Constraction ....................................................49Pinchuk A. V., Pinchuk V. A., Tarakanovskiy I. V. Control Charge Channel Of Material Environments Conditions As Factor Of Increasing Efficiency Of Light Aircraft Engines .......................58

OPERATION PROCESSES MATHEMATICAL MODELING AND DEVELOPMENT OF CONTEMPORARY PUMPS, TURBINES, HYDROMACHINES, HYDRAULIC PNEUMATIC UNITS AND BASED ON POWER SYSTEMS

Sapronov Y. I., Konev V. V. Calculation And Analysis Of Solutions Of The Jaffray—Hamel Equation Boundary Problem .....67

RPMA NEWS

Valyukhov S. G. About The Participation Of Postgraduate Students Of OGET VSTU In The Scientific-Practical Seminar .................74Baulin M. N., Nemtinova D. A., Obolonskaya E. M., Obolonskaya O. Y., Shoter P. I. Settlement Research Of Fluid Flow In The Centrifugal Pump By ANSYS CFX .............................................75Valyukhov S. G., Galdin D. N., Kartashov M. K., Popova A. A., Shkurletova I. I. Creation Of The Closed Parametric Optimization Mathematical Model Of The Pipeline Oil Pump Inlet On The ANSYS WORKBENCH Platform .............................80Solodchenkov E. V. International PCVEXPO Exhibition — Always The Main Industry Event Of Year, And Especially The15th Anniversary Exhibition In New Realities .......................................86

MANUSCRIPT FORMATTING REQUIREMENTS AND TERMS OF PUBLISHING .....................................................................90



Насосы. Турбины. Системы. №2(19)/2016 • Pumps. Turbines. Systems. No.2(19)/2016Насосы. Турбины. Системы. №2(19)/2016 • Pumps. Turbines. Systems. No.2(19)/2016 54

Наукоемкие отрасли занимают ведущее по-ложение в развитии современной экономики, по-тому что в них материализуется основная часть результатов научных исследований и разработок, и таким образом именно они определяют спрос на достижения науки и техники. Масштабы науко-емкого сектора в значительной степени характе-ризуют научно-технический и экономический по-тенциал страны, выступают определяющим фак-тором развития ее экономики, одним из главных источников пополнения бюджетных средств для ведущих мировых государств, фундаментальной основой обеспечения их национальной безопас-ности. Состояние наукоемких отраслей экономи-ки, кроме того, становится еще и одним из основ-ных условий успешной интеграции той или иной страны в складывающуюся систему глобальных мирохозяйственных связей [3].

Проблемы производства наукоемкой про-дукции и создания высоких технологий актуаль-ны также в силу их ресурсосберегающей роли [4]. Географические особенности России обеспечива-ют отечественную экономику природным и тру-довым потенциалом, однако это приводит также и к отрицательному эффекту — реальное произ-водство не всегда является эффективным и ресур-сосберегающим вследствие смещения акцентов на добывающие отрасли промышленности. Ре-сурсная составляющая в стоимости готовой про-дукции ведущих зарубежных стран не превыша-ет 10—15 %. У нас по мере снижения объемов вы-пуска и удельного веса наукоемкой продукции материальные затраты имеют устойчивую тен-денцию к росту [5]. Повышение благосостояния общества за счет национального дохода, полу-чаемого столь расточительным способом, мало-продуктивно, а потому совершенно бесперспек-тивно, поскольку ведет к исчерпанию лучших за-пасов невосполнимых сырьевых ресурсов. Даль-нейшее развитие экономики в этом направлении сдерживается, с одной стороны, сверхпропор-ционально возрастающими потребностями в ин-вестициях, которых требуется все больше для поддержания производства в добывающих и пе-рерабатывающих отраслях в силу их более вы-сокой по сравнению с другими отраслями капи-талоемкости, а с другой — постоянно усиливаю-щимися экологическими требованиями и запре-тами [6].

Наукоемкий сектор наиболее пригоден для того, чтобы быть инновационным ядром отече-ственной промышленности. На предприятиях

входящих в него отраслей экономики инноваци-онная деятельность должна быть более активной и направленной на освоение новых рынков и ре-сурсосберегающих технологий производства продукции. Эффективность и глубина инноваци-онного потенциала страны, прежде всего, опре-деляются привлекательностью тех отраслей, где будет происходить создание нововведений, а также способностью инновационной инфра-структуры обеспечивать эффективную коммер-циализацию результатов научно-технической деятельности [7].

В настоящее время на многих предприятиях наукоемких отраслей экономики, с одной сторо-ны, уже происходит их технологическая модер-низация путем перевооружения существующего производственного аппарата. С другой стороны, все больше начинает формироваться и должна в дальнейшем стать доминирующей идеология активизации инновационной деятельности [8]. Парность этих задач не вызывает сомнений, од-нако взаимосвязь и соподчиненность иннова-ционного процесса и процесса модернизации должны быть взаимоувязаны. С позиций совер-шенствования методологии управления модер-низационными процессами модернизация в ши-роком смысле должна носить организационно-экономический характер и быть направленной на инновационное развитие наукоемких отрас-лей на основе использования собственного на-учного, научно-технического и инновационного потенциала.

Инновационная модернизация наукоемких отраслей призвана не только активизировать про-цесс коммерциализации интеллектуального по-тенциала в условиях рыночной среды, но и обес-печить качество и эффективность современной экономики в целом. В свою очередь наличие ин-новационной стратегии в дальнейшем развитии отечественной экономической системы объек-тивно будет создавать предпосылки для упроче-ния мирохозяйственных связей страны и усиле-ния ее роли на международном рынке наукоем-кой продукции и высоких технологий.

Теоретический и научный интерес к исследо-ванию проблем управления производством на-укоемкой продукции и высоких технологий доста-точно устойчив и распространен. Изучение дан-ных проблем проводилось как в России, так и за рубежом. В работе [9] в обобщенном виде пред-ложена классификация вариантов долгосрочного развития российской экономики (табл. 1).

Т а б л и ц а 1 Матрица долгосрочных сценариев технологического развития России

Сценарные факторыНаправленность сценариев

Энергосырьевая Инновационно-активнаяИнституциональная логика развития Догоняющее развитие Создание инновационной среды

Наличие проектной компоненты Разомкнутая национальная инновационная система

Локальное технологическое лидерство

Представленные в таблице 1 варианты долго-срочных прогнозов развития экономики России применительно к наукоемким отраслям, по мне-нию автора, заключаются в следующем:

— сценарий догоняющего развития — ин-ституты и инфраструктура национальной инно-вационной системы соответствуют требованиям энергосырьевого сценария развития, крупномас-штабные проекты не реализуются;

— сценарий разомкнутой национальной ин-новационной системы — институты и инфра-структура национальной инновационной систе-мы соответствуют требованиям энергосырьево-го сценария развития, часть национальной ин-новационной системы функционирует в рамках реализации крупных технологических проек-тов, инициируемых российскими и зарубежными субъектами;

— сценарий создания инновационной сре-ды — формируемая национальная инновацион-ная системы соответствует требованиям иннова-ционно активного сценария (в частности, ориен-тации на потребности как крупных компаний, так и инновационно активного бизнеса), однако госу-дарство и крупные (контролируемые им) компа-нии воздерживаются от инициирования крупно-масштабных прорывных проектов, минимизируя свои технологические риски;

— сценарий локального технологического лидерства — помимо создания институтов нацио-нальной инновационной системы, соответствую-щих инновационно активному сценарию, развер-тывается (с опорой на государственное финан-сирование и финансирование в рамках государ-ственно-частного партнерства) ряд прорывных научно-технологических проектов, позволяющих российским компаниям укрепить свои позиции на отдельных приоритетных наукоемких секто-рах российского и мирового рынков.

Результаты анализа мнений ведущих ученых и политиков по вопросам дальнейшего развития России показали, что одним из часто декларируе-мых сценариев является эффективная стратегия

догоняющего развития. Однако реализация этой стратегии на основе масштабного заимствования технологий должна исчерпать себя через 15—20 лет с тем, чтобы перейти на путь инновацион-ного развития экономики [10].

В отечественной и зарубежной научной ли-тературе существует достаточно большое чис-ло публикаций, посвященных, во-первых, вопро-сам модернизации как экономики в целом, так и ее отдельных отраслей и секторов, а во-вторых, проблемам построения эффективной националь-ной инновационной системы [11; 12]. Вместе с тем проблема инновационной модернизации науко-емких отраслей экономики является недостаточ-но изученной как с теоретической, так и с практи-ческой точки зрения.

Анализ мнений ведущих ученых и полити-ков показал отсутствие однозначного понима-ния, во-первых, что такое модернизация и чем она отличается от инновационного развития, во-вторых, что важнее для российской экономи-ки — модернизация или инновационное разви-тие, и, в-третьих, какое из этих направлений наи-лучшим образом вписывается в систему суще-ствующих реалий [13]. В процессе проведенно-го исследования были проанализированы также и дискуссии, как то: должна ли стратегия модер-низации опираться в первую очередь на методы и инструменты стимулирования экономического роста, либо следует сосредоточить усилия на со-вершенствовании институтов. Сторонники инсти-туциональной модернизации полагают, что вме-шательство неквалифицированной и коррумпи-рованной бюрократии может только навредить экономике [14]. Сторонники проектного подхо-да отмечают, что в условиях низкой эффективно-сти российской экономики усилия по созданию рыночных институтов слабо результативны. Са-ми же институты фактически работают на закреп-ление экспортно-сырьевой модели развития. По-этому необходима капитализация сравнительных преимуществ российской экономики, т. е. интен-сификация вложений в сектора и отрасли, обла-




дающие потенциальной конкурентоспособно-стью [15], к которым относятся наукоемкие отрас-ли экономики.

В условиях глобализации мировой экономи-ки модернизация, ориентированная на модель догоняющего развития, имеет ограниченный характер и не отвечает задаче осуществления инновационного прорыва [16]. Анализ теории и практики реформирования экономических си-стем прошлых столетий позволяет сделать вы-вод, что догоняющее развитие может принести успех при соблюдении двух обязательных усло-вий. Во-первых, догоняемые страны должны на-ходиться на более высоких ступенях того же тех-нологического уклада, что и догоняющая стра-на. Во-вторых, догоняющему развитию должны соответствовать мобилизационные методы, со-гласно которым человек рассматривается толь-ко лишь как движущая сила производства. Огра-ниченность догоняющей модернизации актуа-лизируется в период радикальной социальной трансформации, переживаемой современным обществом, а также в условиях необходимости вхождения в глобальную экономику на основе конкурентных преимуществ.

Анализ и обобщение определений модерни-зации в трудах отечественных и зарубежных уче-ных позволили установить два принципиально различных подхода к ее пониманию [17]: как ло-кальный процесс совершенствования чего-либо (усовершенствование или улучшение конструк-ции машин); как широкий процесс внедрения но-вых подходов или улучшения существующих, со-вершенствования явлений экономической и со-циально-политической жизни (теория модер-низации). В первом понимании модернизация опосредует узкий, технократический подход и не отражает особенностей современного этапа на-учно-технического прогресса. Во втором случае процесс модернизации трактуется как универ-сальный и глобальный, в ходе которого традици-онные общества становятся индустриально раз-витыми. Вместе с тем, формирование в развитых странах экономики знаний придает инновацион-ной составляющей процесса глобальной модер-низации особое значение и обуславливает необ-ходимость уточнения ряда аспектов [18]. Особен-ности модернизационного процесса на каждом историческом этапе развития теории модерниза-ции [19] представлены в таблице 2.

Т а б л и ц а 2 Особенности модернизационных процессов на этапах эволюции теории модернизации

Отличительные признаки

Теории модернизацииКлассическая (50-е —

начало 80-х годов XX в.)Неомодернизационная

(80-е годы XX в.)Постмодерновая

(с конца 80-х годов XX в.)Внутренняя сущ-ность процесса мо-дернизации

Переход от традиционного общества к современному

Переход от традиции и со-временности к «новой» со-временности

Достижение демократизации и маркетизации общества

Отношение к совре-менному и традици-онному

Резкое противопоставление Объединение черт обоих Противодействие современ-ному и традиционному

Особенности меха-низма модерниза-ции

Наличие закономерностей развития, дифференциация объясняется фазой развития общества

Сочетание особенностей классической и постмодер-новой теорий модернизации

Постоянство и неискорени-мость различий, отрицание универсалий

Образец развития Западная модель Собственная идентичность развития стран мира

Отсутствие единой модели развития

Характер развития Линейный, одновариантный Нелинейный, многовариант-ный

Нелинейный, многовариант-ный

Путь развития Вестернизация общества и догоняющая модернизация

Модернизация без вестерни-зации, опора на традиции

Национальная модерниза-ция

Место и роль про-мышленности в эко-номике

Обеспечение индустриаль-ного роста за счет увеличе-ния объемов производств

Качественный промышлен-ный рост за счет внедрения прогрессивных технологий, изменения стандартов по-требления, правовых норм и ценностных ориентиров

Инновационный рост на ос-нове интеграции и трансна-ционализации производства

На основе анализа и синтеза теоретических определений категории «модернизация» в раз-личных сферах научного познания, различных исторических значениях, а также с точки зрения локального (технократического) и глобального (теория модернизации) подходов было форма-лизовано следующее определение [3]. Под ин-новационной модернизацией наукоемких от-раслей экономики понимается процесс форми-рования современного облика данных отраслей, включающий не только технико-технологиче-ские, но и институциональные трансформации, обусловленные изменением инфраструктуры на-укоемких отраслей, созданием эффективных ме-ханизмов государственно-частного партнерства, а также сменой технологических укладов на ос-нове внедрения всех видов инноваций и разви-тия внутриотраслевых и межотраслевых иннова-ционных связей по специфическим направлени-ям конкретных наукоемких производств.

В отличие от существующих отдельных поня-тий модернизации и инноваций предложенное комплексное определение [3]:

— отражает принципиальный переход от понимания технико-технологической модерни-зации как локального, точечного, частичного улучшения конструкции оборудования или за-мены его части к пониманию инновационной мо-дернизации как комплексного процесса смены не только технологической, но и организацион-но-экономической основы наукоемких отраслей экономики;

— расширяет сферу модернизации, пре-дусматривает ее всеобщность как направление деятельности всех отраслевых и межотраслевых комплексов, корпораций, предприятий наукоем-ких отраслей;

— рассматривает модернизацию как про-цесс устойчивого социально-экономического развития страны, обеспечивающего ее органи-зационно-экономическую и научно-технологиче-скую безопасность, конкурентоспособность на-укоемких отраслей экономики как основу повы-шения уровня и качества жизни населения.

Можно выделить следующие принципы инно-вационной модернизации наукоемких отраслей экономики России: избирательность (как ограни-ченность спектра охвата модернизацией отрас-лей экономики); самостоятельность (как способ-ность опираться в инновационной модернизации на свои национальные силы и возможности); ком-плексность (сочетание с технико-технологиче-

ским аспектом как условием для осуществления организационно-экономического аспекта).

Наукоемкие отрасли характеризуются мас-совым использованием передовых технологий, причем они разрабатываются и применяются на всех уровнях материальной структуры хозяйства, включая и добывающие отрасли. Но для устойчи-вого развития большей части наукоемких отрас-лей дополнительно требуется существенно уве-личить и поддерживать на высоком уровне рас-ходы на НИОКР [20]. Это стало основанием для введения в научный оборот понятия «наукоем-кое производство». Инновационное производ-ство характеризуется не только возможностью быстрой смены номенклатуры продукции (что далеко не во всех наукоемких производствах), но и образованием инновационного цикла, в кото-ром реинновация позволяет получить прибыль, достаточную для компенсации затрат на разра-ботку продукции. При этом далеко не все инно-вационные производства являются наукоемкими.

Организационно-экономическая концепция инновационной модернизации наукоемких от-раслей — это взаимоувязанная совокупность тео-ретических положений и практических рекомен-даций, определяющих характер, возможные пути и методы решения существующих и перспектив-ных проблем, связанных с построением иннова-ционной модели развития экономики России. Ос-новные направления предлагаемой методоло-гии управления инновационной модернизацией представлены на рисунке 1.

Как уже было сказано выше, модель дого-няющего развития имеет ограниченный характер и не отвечает задаче осуществления инноваци-онного прорыва, не обеспечивая высоких темпов экономического роста и социального развития России. Сценарий разомкнутой национальной инновационной системы не рассмотрен по при-чине его сырьевой направленности. Сценарий создания инновационной среды не предусма-тривает эффективных механизмов государствен-но-частного партнерства, а для инновационной модернизации наукоемких отраслей взаимодей-ствие государства и бизнеса является одним из приоритетов.

Сценарий локального технологического ли-дерства является проекцией на технологическую плоскость инновационно активного макроэконо-мического сценария и направлен на максималь-ное использование технологического потенциа-ла российской экономики. Это использование




в полной мере может быть достигнуто только за счет инициирования серии прорывных иннова-ционных проектов в тех наукоемких отраслях, где российские производители имеют значительные заделы или конкурентные преимущества. Дан-ный прогноз наиболее полно соответствует пред-ложенной методологии управления инноваци-онной модернизацией наукоемких отраслей. По

сравнению со стратегией догоняющего разви-тия он представляется наиболее перспективным с точки зрения реализации инновационного про-рыва, и именно данный прогноз следует поло-жить в основу инновационно активного макро-экономического сценария развития России при условии соответствующих институциональных преобразований.

Методы прогнозирования

приоритетов инновационной модернизации

Механизмы стратегического планирования

инновационной модернизации

Инструменты программно-

целевого планирования

инновационной модернизации

ИННОВАЦИОННАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ НАУКОЕМКИХ ОТРАСЛЕЙ

ЭКОНОМИКИ РОССИИ

Интеграция наукоемких отраслей в производст-венные макротехниче-

ские системы

Критерии государ-ственно-частного партнерства в ин-

новационной сфере

Методы оценки экономической эффективности инновационно-

инвестиционных проектов

Метод моделирования кон-курентных преимуществ наукоемкой продукции и

высоких технологий

Технико-технологическое обеспечение ин-

новационной модернизации

Институциональное и инфраструктурное

обеспечение инноваци-онной модернизации

Методы оценки результа-тивности и целесообразно-

сти инновационно-инвестиционных проектов

Рис. 1. Общая схема основных компонент методологии управления инновационной модернизацией наукоемких отраслей экономики России

Возможны следующие варианты стратегиче-ского планирования в рамках концепции иннова-ционной модернизации [21].

1. Государственная политика преференций по привлечению инвестиций в инновации. Част-ный сектор будет участвовать в инвестировании

только коммерчески успешных проектов. Однако при этом развитие стратегически важных техно-логий (с относительно невысокой экономической эффективностью) будет недофинансировано.

2. Привлечение государственных инвестиций по наращиванию производственных мощностей

по ограниченному числу направлений производ-ства наукоемкой продукции и создания высоких технологий без привязки к федеральным целе-вым программам. Это традиционный, но не инно-вационный путь развития, к тому же роль бизнеса в инновационном процессе недостаточна.

3. Усиление государственного финансиро-вания федеральных целевых программ для раз-работки технологического базиса без выделе-ния инвестиционных средств на инновацион-ную модернизацию наукоемких отраслей эконо-мики. Инновационная активность предприятий данных отраслей повысится, однако без наращи-вания производственных мощностей выпуск фи-нальных изделий по многим направлениям не бу-дет обеспечен должным образом.

4. Создание системы не только бюджетного, но и инвестиционного финансирования в рам-ках программно-целевого планирования. При

этом возможны следующие проблемы: недоста-точность объема и результативности бюджетных инвестиционных ресурсов для инновационной модернизации наукоемких отраслей экономики, а также недостаточное участие бизнеса.

5. Сочетание всех положительных сторон предыдущих вариантов. Автором предлагает-ся следующее — положительный опыт финанси-рования НИОКР по федеральным целевым про-граммам с одновременным инвестированием в наращивание производственных мощностей предприятий наукоемких отраслей с одновре-менным привлечением внебюджетных ресурсов. Этот вариант направлен на активное использо-вание механизма государственно-частного парт-нерства управления инновационной модерниза-цией наукоемких отраслей экономики. Результа-тивность рассмотренных вариантов представле-на в таблице 3.

Т а б л и ц а 3 Эффективность внедрения методологии управления инновационной

модернизацией наукоемких отраслей экономики России

Вариант Бюджетные средства (%)

Внебюджетные средства (%) Решение проблемы Степень риска реализации

варианта

Первый минимальные минимальные Не обеспечивается Высокая

Второй 40—50 30—40 Не обеспечивается Высокая

Третий 50—70 30—40 Частичное Средняя

Четвертый 40—60 60—80 Частичное Средняя

Пятый 100—120 70—90 Обеспечивается Низкая

В последнее время все большую актуаль-ность приобретает необходимость перехода рос-сийской экономики на инновационный путь раз-вития, а также повышения доли наукоемких от-раслей в общей структуре экономики России. Для восстановления определяющей роли наукоем-ких отраслей экономики России как основы ин-новационного прорыва необходима четкая и по-следовательная инновационная модернизация

с ясно выраженными целями и задачами, с дей-ственными технологическими и организацион-но-экономическими механизмами адаптации производств к работе в современных условиях в соответствии с запросами меняющегося рын-ка, в создании и развитии многоканальной систе-мы финансирования, а также принятии мер под-держки отечественного наукоемкого производ-ства и защиты внутреннего рынка.

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Кузык Б. Н. Россия 2050: стратегия инновационного прорыва / Б. Н. Кузык, Ю. В. Яковец. — М. :

Экономика, 2005. — 624 с.2. Джамай Е. В. Методологические аспекты инновационной модернизации высокотехнологичных

отраслей промышленности России / Е. В. Джамай // Научные труды (Вестник МАТИ). — 2013. — № 20 (92). — С. 229—233.

3. Джамай Е. В. Управление развитием отечественных наукоемких отраслей на основе инноваци-онной модернизации производства / Е. В. Джамай, С. С. Демин // Вестник МГОУ. Серия: Экономика. — 2012. — № 4. — С. 27—30.




4. Багриновский К. А. Стратегия развития наукоемких производств как фактор ресурсосбереже-ния / К. А. Багриновский, М. А. Бендиков, Е. Ю. Хрусталев. — Препринт # WP/99/070. — М. : ЦЭМИ РАН, 1999. — 67 с.

5. Путятина Л. М. Экономика машиностроительных предприятий : учеб. пособие / Л. М. Путятина, А. Е. Путятин. — М. : Академия, 2008. — 304 с.

6. Мезоэкономика развития / под ред. Г. Б. Клейнера. — М. : Наука, 2011. — 805 с.7. Джамай Е. В. Инновационная модернизация наукоемких отраслей экономики России / Е. В. Джа-

май // Научные труды (Вестник МАТИ). — 2011. — № 18 (90). — С. 204—208.8. Джамай Е. В. К вопросу об инновационной модернизации наукоемких отраслей экономики Рос-

сии / Е. В. Джамай, Г. М. Цуканов // Насосы. Турбины. Системы. — 2012. — № 2. — С. 19—25.9. Белоусов Р. Д. Долгосрочный научно-технологический прогноз. Методологии построения. Кон-

туры технологического будущего. Сценарии развития / Р. Д. Белоусов, И. Э. Фролов // Форсайт. — 2008. — № 3. — С. 54—66.

10. Полтерович В. М. О стратегии догоняющего развития для России / В. М. Полтерович // Эконо-мическая наука современной России. — 2007. — № 3 (38). — С. 17—23.

11. Глазьев С. Ю. Стратегия опережающего развития России в условиях глобального кризиса / С. Ю. Глазьев. — М. : Экономика, 2010. — 255 с.

12. Львов Д. С. Экономика развития / Д. С. Львов. — М. : Экзамен, 2002. — 508 с.13. Джамай Е. В. Какая модернизация предпочтительна для России / Е. В. Джамай, С. С. Демин // Ме-

неджмент в России и за рубежом. — 2011. — № 5. — С. 138—140.14. Мау В. А. Экономическая политика 2007 года: успехи и риски / В. А. Мау // Вопросы экономи-

ки. — 2008. — № 2. — С. 4—25.15. Перспективы развития экономики России: прогноз до 2030 года / под ред. В. В. Ивантера,

М. Ю. Ксенофонова. — М. : Анкил, 2013. — 405 с.16. Лаврентьев В. А. Технологическая модернизация организационной структуры и функций ин-

тегрированных наукоемких предприятий / В. А. Лаврентьев // Проблемы теории и практики управле-ния. — 2009. — № 10. — С. 107—112.

17. Стратегия модернизации российской экономики / под ред. акад. В. М. Полтеровича. — М. : Але-тейя, 2010. — 424 с.

18. Ивантер В. В. Перспективы и условия инновационно-технологического развития экономики России / В. В. Ивантер, Н. И. Комков // Проблемы прогнозирования. — 2007. — № 3. — С. 3—20.

19. Ермакова Ж. А. Технологическая модернизация промышленности России: стратегия и органи-зационно-экономические факторы (региональный аспект) / Ж. А. Ермакова ; РАН УрО, Институт эконо-мики. — Екатеринбург, 2007. — 360 с.

20. Калачанов В. Д. Формирование и оптимизация ресурсного обеспечения программ авиастрои-тельного производства / В. Д. Калачанов, Е. В. Джамай // Авиакосмическая техника и технология. — 2005. — № 4. — С. 61—69.

21. Джамай Е. В. Совершенствование метода прогнозирования финансовых ресурсов при созда-нии инновационной продукции в рамках федеральных целевых программ / Е. В. Джамай, С. С. Де-мин // Финансовый менеджмент. — 2010. — № 4. — С. 38—44.

QUESTIONS OF MANAGEMENT OF INNOVATIVE MODERNIZATION OF DOMESTIC KNOWLEDGE-INTENSIVE BRANCHES

S. S. DeminProfessor of the «Risk Analysis and Economic Security» Department of «Financial University under the Government of the Russian Federation», PhD, Associate professor (Russia, Moscow), [email protected]

N. V. ArsenjevaAssociate Professor of the «Industrial Management» Department of Moscow Aviation Institute (National Research University), Cand. Econ. Sci. (Russia, Moscow), [email protected]

D. G. PetrovPostgraduate student of the «Industrial Management» Department» of Moscow Aviation Institute (National Research University) (Russia, Moscow), [email protected]

Abstract. In article the new economic category «innovative upgrade» reflecting system techni-cal and technological and organizational and economic updating of the knowledge-intensive in-dustries of Russian economy is offered and proved. Authors disclosed essence and content of the concept «innovative upgrade», and also various versions of long-term forecasts of development of Russian economy in relation to the knowledge-intensive industries are analyzed: the scenario of the catching-up development, the scenario of the opened national innovative system, the sce-nario of creation of the innovative environment, the scenario of local technological leadership. On analysis results need of replacement of the catching-up development model by the innova-tive upgrade model capable to provide competitive advantages and innovative break in the con-ditions of globalization is proved from the theoretical point of view. Feasibility of application of the local technological leadership scenario is proved and the most acceptable option of strategic planning for strategy implementation of innovative upgrade is determined.Keywords: innovative upgrade; principles of innovative upgrade; management of innovative up-grade; knowledge-intensive industry of economy.

R E F E R E N C E S1. Kuzyk B. N. Russia 2050: Strategy of innovative breakthrough / B. N. Kuzyk, Y. V. Yakovets. — M. : Eco-

nomics, 2005. — 624 p.2. Jamai E. V. Methodological aspects of innovative modernization of high-tech industries of Russia /

E. V. Jamai // Proceedings (MATI Herald). — 2013. — № 20 (92). — P. 229—233.3. Jamai E. V. Managing the development of domestic high-tech industries based on innovative mo-

dernization of production / E. V. Jamai, S. S. Demin // Bulletin of Moscow State Regional University. Series: Economy. — 2012. — № 4. — P. 27—30.

4. Bagrinovsky K. A. Development strategy of high-tech industries as a factor of resource. — Preprint # WP/ 99/070 / K. A. Bagrinovsky, M. A. Bendikov, E. Y. Khrustalev. — M. : CEMI RAS, 1999. — 67 p.

5. Putyatina L. M. Economy engineering enterprises : textbook / L. M. Putyatina, A. E. Putyatin. — M. : Academy, 2008. — 304 p.

6. Mesoeconomics development / ed. G. B. Kleiner. — M. : Nauka, 2011. — 805 p.7. Jamai E. V. Innovative modernization of high-tech industries of the Russian economy // Proceedings

(MATI Herald). — 2011. — № 18 (90). — P. 204—208.8. Jamai E. V. On the issue of innovative modernization of high-tech industries of the Russian economy /

E. V. Jamai, G. M. Tsukanov // Pumps. Turbines. System. — 2012. — № 2. — P. 19—25.9. Belousov R. D. Long-term forecast of Science and Technology. Methodology. The contours of

technology future. Development scenarios / R. D. Belousov, I. E. Frolov // Foresight. — 2008. — № 3. — P. 54—66.

10. Polterovich V. M. About catch-up development strategy for Russia / V. M. Polterovich // Economic sci-ence of modern Russia. — 2007. — № 3 (38). — P. 17—23.

11. Glazyev S. Y. Strategy of Russia advanced development of the global crisis / S. Y. Glazyev. — M. : Eco-nomics, 2010. — 255 p.

12. Lvov D. S. Development Economics / D. S. Lvov. — M. : Examination, 2002. — 508 p.13. Jamai E. V. Which is preferable for the modernization of Russia / E. V. Jamai, S. S. Demin // Manage-

ment in Russia and abroad. — 2011. — № 5. — P. 138—140.14. Mau V. A. The economic policy of 2007: Successes and risks / V. A. Mau // Questions of economy. —

2008. — № 2. — P. 4—25.15. Prospects for the development of Russian economy: the forecast till 2030 / ed. V. V. Ivanter, M. Y. Kse-

nofonov. — M. : Ankil, 2013. — 405 p.




16. Lavrentiev V. A. Technological modernization of the organizational structure and functions of the in-tegrated high-tech enterprises / V. A. Lavrentiev // Problems of the theory and practice of management. — 2009. — № 10. — P. 107—112.

17. Strategy of modernization of the Russian economy / ed. acad. V. M. Polterovich. — M. : Aletheia, 2010. — 424 p.

18. Ivanter V. V. Perspectives and conditions of innovation and technological development of Russian economy / V. V. Ivanter, N. I. Komkov // Problems of forecasting. — 2007. — № 3. — P. 3—20.

19. Ermakova J. A. Technological modernization of Russian industry: strategy and organizational and economic factors (regional aspect) / J. A. Ermakova ; RAS Ural Branch, Institute of Economics. — Ekaterin-burg, 2007. — 360 p.

20. Kalachanov V. D. Formation and optimization of resource maintenance of aircraft-building pro-gram production / V. D. Kalachanov, E. V. Jamai // Aerospace technics and technology. — 2005. — № 4. — P. 61—69.

21. Jamai E. V. Improving the financial resources prediction method for creating innovative products in the framework of the federal target programs / E. V. Jamai, S. S. Demin // Financial Management. — 2010. — № 4. — P. 38—44.

УДК 678.067.5: 541.64

ТЕПЛОСТОЙКИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКИ С ВЫСОКИМИ ПРОЧНОСТНЫМИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

В. Е. БахареваГлавный научный сотрудник ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», д. т. н., профессор (Россия, г. Санкт‑Петербург), prometey‑[email protected]

И. В. НикитинаНачальник сектора ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» (Россия, г. Санкт‑Петербург), к. х. н., prometey‑km@ yandex.ru

А. С. СаргсянИнженер 1‑й категории ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» (Россия, г. Санкт‑Петербург), prometey‑km@ yandex.ru

Рассмотрены перспективные высокопрочные теплостойкие стеклопластики с высокими стабильными диэлектрическими характеристиками для изделий энерго-, турбино- и дру-гих отраслей машиностроения, а также приборостроения. Показано влияние полимерной матрицы и армирующего стеклянного наполнителя на функциональные свойства компо-зитов.Ключевые слова: теплостойкий стеклопластик, термореактивная матрица, термопластич-ный полимер, армирующий наполнитель, стекловолокно, диэлектрические свойства, прочность при сжатии, прочность при изгибе.

Введение

Полимерные композиционные материалы (ПКМ), в частности стеклопластики, — важнейшие неметаллические материалы в машиностроении. Они широко применяются для производства из-делий конструкционного, электроизоляционного и радиотехнического назначения.

Развитие энергомашиностроения и приборо-строения требует создания новых высокопроч-ных материалов с высокими диэлектрическими свойствами, стабильными в течение длительных сроков эксплуатации в условиях широких интер-валов температур и рабочих частот [1].

При изготовлении стеклопластиков с высо-кими диэлектрическими свойствами (диэлектри-ческих стеклопластиков) используются как тер-мореактивные, так и термопластичные полимер-ные связующие. Природа полимерной матрицы определяет уровень механических и диэлектри-ческих свойств стеклопластиков, температурный

диапазон их эксплуатации, характер изменения свойств в условиях воздействия температуры, влаги и атмосферы, а также технологические опе-рации и режимы получения и переработки мате-риалов в изделия [1, 2].

По назначению диэлектрические стеклопла-стики подразделяются на две группы:

— стеклопластики электроизоляционного назначения, работающие на промышленных ча-стотах 50—400 Гц, получаемые на основе эпок-сидных смол и новых теплостойких связующих;

— стеклопластики радиотехнического назна-чения — высокочастотные диэлектрики, преиму-щественно эпоксидные, работающие в диапазоне частот до 106—1010 Гц.

При оптимизации технологии изготовле-ния изделий из диэлектрических стеклопласти-ков необходимо учитывать их назначение, диа-пазон рабочих частот, температуру эксплуатации, механические нагрузки и пр. Высокочастотные диэлектрики (106—1010 Гц) применяются в при-боростроении, низкочастотные диэлектрики — при изготовлении электрических машин, турбо- © Бахарева В. Е., Никитина И. В., Саргсян А. С., 2016

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего проФессионального образования «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Нефтегазовое оборудование и транспортировка»

Осуществляет обучение студентов в соответствии с программой бакалав-риата (полный курс обучения) для профиля подготовки «131000 Нефтегазовое дело» по направ-лению «Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продук-тов переработки». Объектами профессиональной деятельности выпускников являются: системы транспорта углеводородов, магистральные и промысловые трубопроводы, насосные и компрес-сорные станции, газохранилища, нефтебазы и т. д. На кафедре осуществляется подготовка спе-циалистов высшей квалификации в аспирантуре по специальностям: «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты» и «Теплофизика и теоретическая теплотехника». С 2014 года осуществля-ются набор и обучение по программе прикладного бакалавриата 21.03.01 «Нефтегазовое дело».

Контактная информация: г. Воронеж, ул. Плехановская, д. 11, ком. 109, тел.: +7 (473) 252-34-52Адрес ВГТУ в Интернете: http://www.vorstu.ru

К СВЕДЕНИЮ АБИТУРИЕНТОВ




и гидрогенераторов, высоковольтной аппарату-ры и трансформаторов, для сверхдальних высо-ковольтных линий электропередач постоянного или переменного тока, электродвигателей [3].

В результате многолетних исследований, про-веденных в ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», созда-ны две эпоксидные матрицы, нашедшие широкое применение для стеклопластиков горячего прес-сования конструкционного и электроизоляцион-ного назначения. Основная матрица ЭТ-1 изготав-ливается на основе бифункциональной эпокси-диановой смолы (эпоксидианового олигомера) с отвердителем триэтаноламинтитанатом катали-тического типа и эксплуатируется при температу-ре до 105 оС. Теплостойкая матрица ЭТ-2 на основе тетрафункционального хлорсодержащего эпок-сидного олигомера ЭХД с отвердителем сшиваю-щего типа дихлордиаминодифенилметаном при-меняется в условиях воздействия температуры до 155 °C. Полимерные матрицы ЭТ-1 и ЭТ-2 — ос-нова стеклопластиков СТЭТ-1 и СТЭТ-2. Они могут работать как в промышленном диапазоне частот 50—400 Гц, так и на радиочастотах 106—1010 Гц. Таким образом, эпоксидные стеклопластики го-рячего прессования могут быть отнесены одно-временно к двум группам материалов — электро-изоляционным и радиотехническим.

Свойства диэлектрических стеклопластиков существенно зависят от использованных арми-рующих волокнистых наполнителей. Создание промышленного производства стеклянных во-локон в России и за рубежом было обусловлено потребностями техники в теплостойком волок-нистом материале, обладающем высокими элек-троизоляционными и механическими характери-стиками. Технология получения стекловолокни-стых материалов непрерывно совершенствуется, улучшаются их свойства, при этом постоянно воз-растают объемы производства [3, 4].

В качестве армирующих материалов в ПКМ электроизоляционного и радиотехнического на-значения могут применяться различные материа-лы на основе неорганических и органических во-локон. Но наибольшее распространение получи-ли именно стеклянные волокна.

По прочности стеклянные волокна можно разделить на три группы:

— высокопрочные (σв 370—470 кгс/мм2 и выше); — повышенной прочности (σв 250—350 кгс/ мм2); — нормальной прочности (σв 150—250 кгс/ мм2) [4].

Основным компонентом стекла является ди-оксид кремния SiO2. Содержание его обычно со-

ставляет не менее 50 %. При варке в стекло до-бавляют различные компоненты: оксид алюми-ния (Al2O3), оксид кальция (CaO), борный ан-гидрид (B2O3). Соотношение этих компонентов обусловливает основные прочностные и техно-логические свойства стекловолокна. Введение борного ангидрида и окиси алюминия повыша-ет атмосферо- и водостойкость стеклянного во-локна и улучшает его текстильные свойства. До-бавление оксида кальция также повышает водо-стойкость стеклянного волокна и, кроме того, его твердость. При наличии в составе стекла окси-дов меди, бериллия и титана улучшаются упругие свойства стекловолокна и его адгезия к полимер-ной матрице. С увеличением доли оксидов ще-лочных металлов снижаются водостойкость и уп-ругие свойства [4, 5].

Диэлектрические свойства армирующих стеклянных волокон и тканей в значительной сте-пени определяются химическим составом стек-ла, из которого они состоят. Для различных тех-нических стекол при нормальной температуре удельное объемное сопротивление ρv составля-ет 104—1013 Ом·м, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ 0,0002—0,01, диэлектрическая прони-цаемость ε 3,8—16,2 [4].

Наилучшими диэлектрическими свойствами обладает кварцевое стекло, для которого харак-терна стабильность свойств в широком интерва-ле температур (до 700 °C). Однако при технологи-ческой обработке (крутке) кварцевые волокна те-ряют часть своей прочности, и прочность тканей сатинового переплетения из кварцевого волок-на в 1,5 раза ниже, чем у аналогичных тканей из бесщелочного волокна (Е). Низкие прочностные характеристики, сложность производства, дефи-цитность и высокая стоимость волокон и тканей на основе кварцевого стекла ограничивают их применение в качестве армирующего материа-ла. Стеклопластики на основе кварцевых стекло-волокон рекомендуются для изделий радиотех-нического назначения, где предъявляются особо жесткие требования к уровню и стабильности ди-электрических потерь [5].

Альтернатива кварцевым волокнам — крем-неземные волокна, доля диоксида кремния в ко-торых 99,5—99,8 %. По свойствам эти волокна приближаются к кварцевым, однако стоимость их гораздо ниже.

Для деталей электроизоляционного и радио-технического назначения обычно применяются более дешевые бесщелочные стекла (Е), содер-

жащие минимальное количество щелочных ок-сидов Ca и Al. Эти стекла включают 5—10 % B2O3 [4, 5]. При увеличении доли оксидов щелочных металлов (Li2O, Na2O, K2O) структурная сетка изме-няется, повышаются прочность, стойкость к гид-ролизу, улучшаются технологические свойства, но диэлектрическая проницаемость ухудшается, по-является зависимость от частоты поля и от темпе-ратуры уже в интервале температур 100—200 °C, снижается удельное объемное сопротивление [5].

При получении изделий с высокой прочностью и модулем упругости применяют специальные вы-

сокопрочные и высокомодульные волокна с худ-шими диэлектрическими свойствами по сравне-нию с кварцевыми и кремнеземными волокнами. Высокопрочные волокна изготавливают на основе магнийалюмосиликатных стекол марок ВМП и S [4].

Электрическая прочность стекловолокна при электрическом пробое мало зависит от состава и составляет примерно 500 МВ/м.

Физико-механические и диэлектрические свойства описанных выше стеклянных волокон приведены в таблице 1, электрические свойства стеклопластиков на их основе — в таблице 2.

Т а б л и ц а 1 Физико‑механические и диэлектрические свойства стеклянных волокон

на основе стекол различного химического состава [4, 5]

СтеклоРазрушающее напря-жение при растяже-

нии, МПа

Модуль упругости, ГПа

Диэлектрическая проницаемость

Тангенс угла диэлек-трических потерь,

∙10–3

Кварцевое 6000 74 3—4 1—2Кремнеземное 5900 74 3—4,5 1—3Бесщелочное (Е) 5000 73 6,2—6,8 1—15Высокопрочное (ВМП) 4200 85 5—6 2,5—3,0Высокомодульное (ВМ) 4200 93 6,5—7,5 2,5—3,0

Для развития отечественного энергомаши-ностроения и приборостроения требуются но-вые высокопрочные стеклопластики с улучшен-

ными диэлектрическими характеристиками, ра-ботоспособные при частоте 50 Гц и температуре до 200 °C, в отдельных случаях до 250—280 °C.

Т а б л и ц а 2 Диэлектрические свойства эпоксидных стеклопластиков на основе

различных стеклоармирующих материалов [1, 6]

Стекло Диэлектрическая прони-цаемость при 106 Гц

Тангенс угла диэлектриче-ских потерь при 106 Гц

Удельное объемное сопро-тивление, Ом·м

Кварцевое 3,4—3,8 (1—2)·10–2 1015

Кремнеземное 3,5—3,6 (1—3)·10–2 1015

Бесщелочное (Е) 5,2—5,4 (1,5—2,0)·10–2 1014

Боросиликатное Д-4 Д-4,5 НД

4,3—4,44,5—4,64,3—4,5

1,7·10–2

1,9·10–2

1,6·10–2

(5,4—6,4)·1015

7—1012

1013

Высокопрочное (ВМП) 5,4—5,5 1,7·10–2 1014

Высокомодульное (ВМ-1) 5,5—5,6 1,8·10–2 4—1012

Диэлектрические стеклопластики в совре-менном энергомашиностроении используются для изготовления [1—3]:

— изоляции электрических двигателей и ге-нераторов с температурой эксплуатации от 150—160 до 200—240 °C;

— корпусов и деталей печатных плат радио-электронной аппаратуры (до 200 °C);

— антенных обтекателей (частота до 1010 Гц, температура до 120 °C).

Стеклопластики используют в качестве элек-троизоляционных и конструкционных материа-лов для систем изоляции турбо-, гидрогенера-торов и высоковольтных электрических машин, для систем изоляции тяговых электродвигате-лей и двигателей постоянного тока, для низко-




вольтных электрических машин, корпусов при-боров и т. д. [6].

Для изготовления диэлектрических стекло-пластиков, предназначенных для работы при вы-соких температурах, вместо эпоксидных матриц в перспективе необходимо использовать новые теплостойкие связующие [7, 8], например, термо-пластичные полимеры (полифениленсульфид, по-лиэфирэфиркетон, термопластичные полиими-ды [9]) и термореактивные (полицианураты [10], фталонитрильные полимеры [11, 12], термореак-тивные полиимиды [9]). По химической структуре термостойкие термопласты («супертермопласты») представляют собой полиарилены или полиге-тероарилены, содержащие в цепи жесткие фраг-менты, связанные простыми эфирными или суль-фидными группами, играющими роль шарниров и обеспечивающими гибкость цепи без снижения термостойкости [13]. Термостойкие термопласты обладают высокой прочностью и устойчивостью к ударным нагрузкам в широком интервале тем-ператур — от –196 до 220 °С, а также высокими ди-электрическими свойствами. В настоящее время их производство в мире составляет не более 1 % от общего объема термопластов [9].

Из этой группы супертермопластов нами был использован в качестве связующего (матрицы) диэлектрических стеклопластиков частично кри-сталлический полифениленсульфид (ПФС). Имен-но наличие в структуре матрицы значительной доли кристаллической фазы определяет рабо-тоспособность ПФС при повышенных, вплоть до 200—220 °C, температурах [13]. Для ПФС харак-терны теплостойкость, водостойкость, огнестой-кость, высокий модуль упругости при значитель-ном удлинении, высокая прочность и ударостой-кость. На его основе изготовлен новый стекло-пластик СПФС.

При производстве стеклопластика СПФС из-за высокой температуры прессования (300—320 °С) возникла проблема разложения гидро-фобно-адгезионного замасливателя, наносимого на стеклоткань при ее изготовлении. Стеклопла-стик расслаивался при относительно небольших нагрузках и имел низкую электрическую проч-ность (9 кВ/мм). При высокой температуре проис-ходило разложение замасливателя на низкомоле-кулярные соединения, что приводило к возраста-нию пористости стеклопластика и уменьшению адгезии со стеклотканью. Проблема была решена путем предварительной обработки стеклянной ткани барьерным разрядом [14].

Высокой теплостойкостью обладают так-же новые реактопласты — полицианураты [10], бис-малеинимиды [15] и фталонитрильные поли-меры [16].

Циановые эфиры представляют собой высо-котемпературные термоотверждаемые олигоме-ры — продукты конденсации бисфенолов с синиль-ной кислотой. При пропитке стеклоткани циановы-ми эфирами происходит отверждение без выделе-ния летучих продуктов. Полученный стеклопластик (СТ-CN) имеет крайне низкое влагопоглощение, вы-сокую устойчивость к растрескиванию и хорошие диэлектрические свойства. Отверждение проте-кает по механизму циклотримеризации с образо-ванием трехмерно сшитого полицианурата регу-лярного строения [10]. Применение полицианура-тов вместо эпоксидных смол не приводит к изме-нению технологии получения стеклопластиков, так как полицианураты растворимы в тех же раствори-телях, что и эпоксидные смолы.

Среди известных термостойких полимерных связующих наиболее высокими физико-механи-ческими и диэлектрическими свойствами отли-чаются термопластичные и термореактивные по-лиимиды, однако в Российской Федерации в на-стоящее время промышленное производство перспективных полимеров данного класса не осуществляется. В связи с этим сведения о свой-ствах стеклопластиков на подобной полимерной матрице практически отсутствуют.

Для сравнения свойств созданных нами ди-электрических термостойких стеклопластиков были получены образцы стеклопластиков на ос-нове кремнийорганических связующих: полиме-тилфенилсилоксана (стеклопластик ПМСС) и по-лиметилсесквиоксана (стеклопластик ПМФС). Полиорганосилоксаны впервые были синтези-рованы академиком К. А. Андриановым в 1949 г. и являются одними из самых теплостойких поли-меров [17]. Также были использованы данные по свойствам стеклотекстолита марки СТ-ЭТФ (ГОСТ 12652—74), на основе эпоксиаминофенольной смолы, с длительно допустимой рабочей тем-пературой до 180 °C, рекомендованного в на-стоящее время к применению в промышленно-сти. Одним из важнейших недостатков материа-ла СТ-ЭТФ является его горючесть, определяемая горючестью полимерной матрицы. Применение эпоксидной смолы ЭХД и, тем более, полимеров, относящихся к классу негорючих (полифенилен-сульфид, полиимиды), позволит решить пробле-му пожароопасности электроизоляционных ПКМ.

0,00001

0,0001

0,001

0,01

0,1

1

10

100

0 50 100 150 200

Удел

ьное

соп

роти

влен

ие, 1

012О

м·м

Температура, °С

СТЭТ-1 СТЭТ-2 СПФ С ПМФ С ПМСС СТ-CN СТ-ЭТФ

Рис. 1. Зависимость удельного объемного электрического сопротивления диэлектрических стеклопластиков от температуры

На рисунке 1 приведена зависимость удель-ного объемного электрического сопротивления от температуры для диэлектрических стеклопла-стиков с различными полимерными связующими. Очевидно, что именно теплостойкость полимер-ной матрицы определяет сохранение диэлектри-ческих характеристик стеклопластика при повы-шенных температурах и температурный предел работоспособности. Наибольший интерес с дан-ной точки зрения представляют стеклопластики

СТ-CN и СПФС, являющиеся результатом иссле-дований последнего десятилетия. Наименьшей деградацией свойств обладает стеклопластик СТ-CN. Стеклопластики на основе кремнийорга-нических связующих обладают практически оди-наковым сопротивлением и идентичной зависи-мостью от температуры. Стеклопластики СПФС и СТЭТ-2 также обладают достаточно высокими значениями сопротивления как при комнатной, так и при повышенной температурах.

Рис. 2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 50 Гц от температуры




На рисунке 2 представлены зависимости тан-генса угла диэлектрических потерь на частоте 50 Гц от температуры. Для всех материалов дан-ный параметр находится в допустимых для элек-троизоляционных материалов пределах, однако наименьшими значениями и минимальным из-менением тангенса при повышении температуры обладают материалы СПФС и СТ-CN.

Одним из важнейших параметров электро-изоляционных материалов является электриче-ская прочность. В таблице 3 представлены зна-чения электрической прочности для исследован-ных образцов.

Основные прочностные характеристики стек-лопластиков, а именно зависимости разрушаю-щего напряжения при сжатии и сдвиге от темпе-

ратуры, представлены на рисунках 3 и 4. Наиболь-шую стабильность физико-механических свойств демонстрируют стеклопластики СТ-CN и СПФС.

Т а б л и ц а 3 Кратковременная электрическая прочность

образцов стеклопластиков

Образец Электрическая прочность, кВ/мм

СТЭТ-1 29,3СТЭТ-2 30,5СПФС 29,7ПМФС 23,3СТ-CN 21,9

СТ-ЭТФ 33,9

Рис. 3. Зависимость разрушающего напряжения при сжатии от температуры

Рис. 4. Зависимость разрушающего напряжения при изгибе от температуры

Заключение

Разработаны и исследованы диэлектрические стеклопластики на основе различных связующих, в том числе на основе термопластичного связую-

щего (СПФС) и нового типа термореактивных свя-зующих — суперсшитого полицианурата (СТ-CN). Максимальной теплостойкостью обладают стек-лопластики на основе полициануратного связую-щего (материал СТ-CN) и на основе ПФС (СПФС).

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Современные машиностроительные материалы. Неметаллические материалы : справочник /

А. В. Анисимов, В. Е. Бахарева, И. В. Блышко [и др.] ; под ред. И. В. Горынина и А. С. Орыщенко. — СПб. : Профессионал, 2012. — 916 с.

2. Бахарева В. Е. Изделия электроизоляционного назначения из стеклопластиков и технология их изготовления / В. Е. Бахарева, И. А. Конторовская, Л. В. Петрова. — Л. : ЛДНТП, 1981. — 28 с.

3. Преображенский А. И. Стеклопластики — свойства, применение, технологии / А. И. Преображен-ский // Главный механик. — 2010. — № 5. — С. 27—36.

4. Гутников С. И. Стеклянные волокна : уч. пособие для студентов по спец. «Композиционные нано-материалы» хим. факультета МГУ им. М. В. Ломоносова / С. И. Гутников, Б. И. Лазоряк, А. Н. Селезнев. — М., 2010. — 53 с.

5. Стеклянные волокна / под ред. М. С. Аслановой. — М. : Химия,1979.6. Блайт Э. Р. Электрические свойства полимеров / Э. Р. Блайт, Д. Блур. — М. : Физматлит, 2008. —

376 с.7. Саргсян А. С. Создание и модификация теплостойких электроизоляционных стеклопластиков /

А. С. Саргсян, В. Е. Бахарева, И. В. Лишевич // Труды конференции молодых ученых и специалистов. — СПб. : Прометей, 2010. — 8 с.

8. Саргсян А. С. Новые теплостойкие электроизоляционные стеклопластики / А. С. Саргсян, В. Е. Ба-харева // Вопросы материаловедения. — 2016. — № 1 (86). — С. 92—98.

9. Кузнецов А. А. Перспективные высокотемпературные термореактивные связующие для поли-мерных композиционных материалов / А. А. Кузнецов, Г. К. Семенова // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева). — 2009. — № 4. — Т. III. — С. 86—96.

10. Саргсян А. С. Антифрикционные теплостойкие композиты на основе полициануратов / А. С. Сарг-сян, И. В. Лишевич, И. В. Блышко // Вопросы материаловедения. — 2012 — № 4 (72). — С. 181—184.

11. Раскутин А. Е. Новое термостойкое связующее для стекло- и углепластиков / А. Е. Раскутин, И. Ф. Давыдова, Р. Р. Мухаметов, В. Т. Минаков // Клеи. Герметики. Технологии. — 2007. — № 11. — С. 20—23.

12. Валевин Е. О. Тепловое старение термостойких углепластиков / Е. О. Валевин, И. В. Зеленина, А. К. Шведкова, И. Н. Гуляев // Вопросы материаловедения. — 2015. — № 4 (84). — С. 91—99.

13. Гофман И. В. Влияние степени упорядоченности надмолекулярной структуры теплостойких термопластов конструкционного назначения на их механические и трибологические характеристи-ки в диапазоне температур 20—250 °C / И. В. Гофман, В. Е. Юдин, O. Orell, J. Vuorinen, А. Я. Григорьев, И. Н. Ковалева, В. М. Светличный // Вопросы материаловедения. — 2012. — № 4 (72). — С. 150—159.

14. Гильман А. Б. Воздействие низкотемпературной плазмы как эффективный метод модификации поверхности полимерных материалов / А. Б. Гильман // Химия высоких энергий. — 2003. — Т. 37. — № 1. — С. 22—28.

15. Mukhametov R. R. New thermostable heterocyclic binders and environmentally friendly technologies of production of composite materials / R. R. Mukhametov, K. R. Akhmadieva, L. V. Chursova // Russian Journal of General Chemistry. — 2011. — Vol. 81. — № 5. — P. 1025—1031.

16. Гуляев И. Н. Направления развития термостойких углепластиков на основе полиимидных и ге-тероциклических полимеров / И. Н. Гуляев, Ф. С. Власенко, И. В. Зеленина, А. Е. Раскутин // Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ». — 2014. — № 1.

17. Михайлин Ю. А. Термоустойчивые полимеры и полимерные материалы / Ю. А. Михайлин. — СПб. : Профессия, 2006. — 624 с.

A HEAT-RESISTANT FIBERGLASS WITH HIGH STRENGTH AND DIELECTRIC PROPERTIES FOR MECHANICAL ENGINEERING AND INSTRUMENT MAKING INDUSTRY

V. E. BakharevaChief Researcher of FSUE «CRISM «Prometey», Doc. Tech. Sci., Professor (Russia, Saint‑Petersburg), prometey‑[email protected]

НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Scientific researches and scientific and technical designs in sphere of innovative technologies manufacturing and application



Насосы. Турбины. Системы. №2(19)/2016 • Pumps. Turbines. Systems. No.2(19)/201620

I. V. NikitinaHead of Sector FSUE «CRISM «Prometey», Cand. Chem. Sci. (Russia, Saint‑Petersburg), prometey‑[email protected]

A. S. SargsyanEngineer of 1 category of FSUE «CRISM «Prometey» (Russia, Saint‑Petersburg), prometey‑[email protected]

Abstract. Perspective high-strength heat resistant fiberglass with high stable dielectric charac-teristics for products of power, turbine and other branches of mechanical engineering, and also instrument making are considered. Influence of a polymeric matrix and the reinforcing glass fill-er on functional properties of composites is shown.Keywords: heat-resistant fiber glass, thermoreactive matrix, thermoplastic polymer, reinforcing filler, fiber glass, dielectric properties, compressive strength, flexural strength

R E F E R E N C E S1. Modern engineering materials. Nonmetallic Materials : guide / A. V. Anisimov, V. E. Bakhareva, I. V. Bly-

shko [et al.] ; ed. I. V. Gorynin and A. S. Oryschenko. — SPb. : Professional, 2012. — 916 p.2. Bakhareva V. E. Products electrical insulating purposes of fiberglass and technology of their produc-

tion / V. E. Bakhareva, I. A. Kontorovskaya, L. V. Petrova. — L. : LDNTP, 1981. — 28 p.3. Preobrazhenskiy A. I. Fiberglass — properties, application, technology / A. I. Preobrazhenskiy // Chief

Mechanic. — 2010. — № 5. — P. 27—36.4. Gutnikov S. I. Glass fibers : textbook for students in special. «Composite nanomaterials» chemical. Moscow

State University named after M. V. Lomonosov // S. I. Gutnikov, B. I. Lazoryak, A. N. Seleznev. — M., 2010. — 53 p.5. The glass fiber / ed. M. S. Aslanova. — M. : Chemistry, 1979.6. Blythe E. R. Electrical Properties of Polymers / E. R. Blythe, D. Bloor. — M. : FIZMATLIT, 2008. — 376 p.7. Sargsyan A. S. Creating and Modifying heat-insulating fiberglass / A. S. Sargsyan, V. E. Bakhareva, I. V. Li-

shevich // Proceedings of the conference of young scientists and specialists. — SPb. : Prometey, 2010. — 8 p.8. Sargsyan A. S. New heat-resistant Insulating fiberglass / A. S. Sargsyan, V. E. Bakhareva // Problems of

Materials. — 2016. — № 1 (86). — P. 92—98.9. Kuznetsov A. A. Prospective high temperature thermosetting binder Polymer composite materials /

A. A. Kuznetsov, G. K. Semenova // Russian Chemical Journal (Russian Chemical Society named after D. I. Men-deleev Journal). — 2009. — № 4. — Vol. III. — P. 86—96.

10. Sargsyan A. S. Antifrictional heat-resistant composites based polycyanurates / A. S. Sargsyan, I. V. Li-shevich, I. V. Blyshko // Problems of Materials. — 2012. — № 4 (72). — P. 181—184.

11. Raskutin A. E. New heat-resistant binder for glass and carbon fiber reinforced plastics / A. E. Raskutin, I. F. Davydova, R. R. Mukhametov, V. T. Minakov // Glues. Sealants. Technologies. — 2007. — № 11. — P. 20—23.

12. Valevin E. O. Thermal aging heat-resistant carbon fiber reinforced plastics / E. O. Valevin, I. V. Zelenina, A. K. Shvedkova, I. N. Gulyaev // Problems of Materials. — 2015. — № 4 (84). — P. 91—99.

13. Hoffmann I. V. Influence of the degree of order of supramolecular structure of heat-resistant thermo-plastic construction purposes on their mechanical and tribological characteristics in the temperature range of 20—250 °C / I. V. Hoffmann, V. E. Yudin, O. Orell, J. Vuorinen, A. Y. Grigoriev, I. N. Kovaleva, V. M. Svetlich-niy // Problems of Materials. — 2012. — № 4 (72). — P. 150—159.

14. Gilman A. B. The impact of low-temperature plasma as an effective method of polymeric materials surface modification / A. B. Gilman // Chemistry high energy. — 2003. — Vol. 37. — № 1. — P. 22—28.

15. Mukhametov R. R. New thermostable heterocyclic binders and environmentally friendly technologies of production of composite materials / R. R. Mukhametov, K. R. Akhmadieva, L. V. Chursova // Russian Journal of General Chemistry. — 2011. — Vol. 81. — № 5. — P. 1025—1031.

16. Gulyaev I. N. Directions of development of heat-resistant carbon fiber reinforced plastics based on polyimide and heterocyclic polymers / I. N. Gulyaev, F. S. Vlasenko, I. V. Zelenina, A. E. Raskutin // Electronic scientific journal «Proceedings of VIAM». — 2014. — № 1.

17. Mikhailin Y. A. Thermostable polymers and polymer materials / Y. A. Mikhailin. — SPb. : Professiya, 2006. — 624 p.

УДК 621.45

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ БАНДАЖНОЙ ПОЛКИ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ НА ПОТЕРИ КПД

А. И. БелоусовПрофессор кафедры «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» ФГАОБУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С. П. Королева (Национальный исследовательский университет)», Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, Почетный работник ВПО РФ, Лауреат губернской премии, д. т. н. (Россия, г. Самара), aibelousov@ mail.ru

Г. М. ПоповАссистент кафедры «Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов» ФГАОБУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет им. акад. С. П. Королева (Национальный исследовательский университет)» (Россия, г. Самара), [email protected]

С. В. НаздрачевНачальник бригады отдела турбин ПАО «Кузнецов» (Россия, г. Самара), [email protected]

О. А. КомаровИнженер‑конструктор ПАО «Кузнецов» (Россия, г. Самара), [email protected]

О. А. КокореваИнженер‑конструктор ПАО «Кузнецов» (Россия, г. Самара), [email protected]

Выполнена расчетная оценка КПД ступени бандажированной турбины высокого давления ГТД НК-36СТ для различных вариантов исполнения бандажной полки. На основе получен-ных результатов предложены мероприятия для повышения КПД лопаток с облегченным бандажированием.Ключевые слова: бандажная полка, лабиринтное уплотнение, потери в радиальном зазоре, вычислительная газовая динамика.

Бандажирование рабочей лопатки — один из основных универсальных способов повышения КПД турбины. Снижение потерь энергии достига-ется вследствие уменьшения утечек через ради-альный зазор: в осевом направлении из-за поста-новки лабиринтного уплотнения; в окружном на-правлении за счет практически полного устране-ния перетеканий газа с корытца на спинку.

Бандажирование лопаток требует решения проблем, связанных со снижением их центробеж-ной силы, обеспечением приемлемого теплового состояния и прочности самих полок. Рассматри-вается возможность применения различных схем их облегчения, которые позволят применять бан-

дажированные лопатки в высокоскоростных вы-сокотемпературных турбинах [1, 2].

Наиболее универсальным способом облег-чения бандажных полок является применение контурных вырезов в передней и задней частях полки.

Влияние рабочего радиального зазора на по-тери КПД турбины с «классическими» бандажны-ми полками достаточно точно описывается инже-нерными методиками расчета. Они сводятся, как правило, к оценке влияния утечек только в осе-вом направлении через лабиринтное уплотне-ние по закономерностям, разработанным Стодо-лой [3]. Корректная оценка КПД ступени турби-ны, включающей лопатки с облегченными бан-дажными полками, требует уточнения влияния потерь в радиальном зазоре вследствие наличия

© Белоусов А. И., Попов Г. М., Наздрачёв С. В., Комаров О. А., Кокорева О. А., 2016

НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙScientific researches and scientific and technical designs in sphere of innovative technologies manufacturing and application




перетекания в окружном направлении через кон-турные вырезы.

Решение такой задачи возможно с примене-нием методов численного газодинамического мо-делирования (CFD).

Для определения влияния вырезов на допол-нительные потери КПД ступени с облегченной бан-дажной полкой выполнена серия СFD-расчетов для модифицированной турбины высокого давле-ния (ТВД) ГТД НК-36СТ, показанной на рисунке 1.

Рис. 1. Турбина ВД ГТД НК-36СТ

Исходная конструкция бандажной полки представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Бандажная полка ТВД ГТД НК-36СТ

Модификация заключалась в профилирова-нии лопаток с «редкой» периферийной решеткой и во введении различных вариантов облегчаю-щих выборок.

Разработка модели проходила в несколько этапов:

— построение расчетной области; — пространственная дискретизация уравне-

ний потока и задания граничных условий; — настройка решающего модуля и вычисле-

ния параметров потока; — визуализация результатов расчета и газо-

динамический анализ моделей облегченной бан-дажной полки.

Первый этап работы заключается в создании геометрической модели исследуемых венцов. Геометрия пера сопловой лопатки соответствует исходной ТВД. Для построения меридиональных

обводов использовался «горячий» тракт ТВД, учитывались притрактовые области.

На основе 3D моделей лопаток РК и СА по-лучены профили лопаток в формате .geomturbo, спрофилированные с помощью программы, раз-работанной на кафедре теории двигателей лета-тельных аппаратов (ТДЛА) Самарского государ-ственного университета им. академика С. П. Ко-ролева. На основе указанных выше данных в про-граммном комплексе AutoGrid 5 была построена геометрия расчетной области ТВД. Модель ис-следовалась с радиальным зазором 0,7 мм.

Были созданы несколько расчетных моде-лей ТВД, которые отличались друг от друга ко-личеством элементов расчетных сеток и нали-чием притрактовых полостей. Для проверки сеточной сходимости число ячеек на один ло-

паточный венец (ЛВ) увеличивалось в 2 раза относительно предыдущего уровня, всего бы-ло создано 3 уровня. Так, модель первого уров-ня (S_1) содержала примерно 500 000 элемен-тов на один ЛВ, модель второго уровня (S_2) — примерно 1 000 000 и т. д. Создание нескольких моделей продиктовано необходимостью обос-нования выбора количества элементов в меж-лопаточных каналах ТВД (так называемая сеточ-ная сходимость), а также влиянием притракто-вых областей и различных моделей бандажных полок на КПД.

Построение сеток конечных элементов в до-менах ЛВ выполнялось с использованием функ-ции Start Row Wizard. Параметры расчетной сет-ки модели ТВД для исследования сеточной схо-димости приведены в таблице 1.

Т а б л и ц а 1 Распределение сетки по профилям венцов

СА РК

S_1

S_2

S_3

При настройках расчетной модели в про-граммном комплексе Numeca Fine Turbo в каче-стве рабочего тела использовался идеальный газ

со свойствами продуктов сгорания. Газовая по-стоянная составляла R = 287,3 Дж/(кг·К).





В качестве граничных условий для серии рас-четов были заданы:

— постоянная температура по высоте про-точной части на входе в ступень;

— постоянная частота вращения, равная 9225 об/мин;

— степени расширения газа в турбине в диа-пазоне 1,4—3,2.

Зависимость теплоемкости от температуры определялась по выражению

Ср = 289,2 + 0,5068·Т – 0,0001925·Т2 + + 0,00000002736·Т3 Дж/(кг·К)

Вязкость рабочего тела описывалась уравне-нием Сазерленда:

кг/(м⋅с)

Выбор расчетной сетки для исследования ра-бочего процесса ТВД был выполнен на основе расчета при различных степенях расширения

с использованием трех расчетных моделей: ТВД S_1, ТВД S_2 и ТВД S_3.

По результатам была получена характеристи-ка пропускной способности турбины А и КПД в за-висимости от (рис. 3):

Пропускная способность турбины, получен-ная по результатам расчета моделей S_1, S_2 и S_3, отличается не более чем на 1 %.

Созданные модели ТВД отличаются друг от друга, главным образом, прогнозированием вели-чины КПД турбины. При этом значения КПД турби-ны, получаемые при расчете «гладкой» проточной части (ТВД_S2 и ТВД_S3), отличаются друг от друга незначительно. Поэтому в дальнейшем использо-вались модели с параметрами сетки ТВД_S2.

На рисунке 3 показано осредненное в окруж-ном направлении поле числа Маха в относитель-ном движении в расчетной точке, соответствую-щей .

Рис. 3. Осредненное в окружном направлении поле числа Маха

Модели первого уровня не учитывали и не содержали притрактовые и надбандажные поло-сти. Модели второго уровня B1/B2/B3 были по-строены на основе моделей первого уровня и со-держали надбандажные полости.

Для учета влияния бандажных полок смоде-лированы притрактовые полости, для их добав-ления использовалась функция ZR-Effect.

Расчет выполнен для трех вариантов бандаж-ной полки, показанных на рисунке 4.

а

б

в

Рис. 4. Варианты конструктивного исполнения бандажных полок:

а — «классическая» трехгребешковая полка (В1); б — «классическая» двухгребешковая полка (В2); в — «обуженная» двух-гребешковая полка (В3)

На рисунках 5—7 приведены осредненные в окружном направлении поля числа Маха в рас-

четной точке, соответствующей , а также представлены линии тока в радиальном зазоре ТВД.





Рис. 5. Поле чисел Маха, модель B1



Анализ распределения чисел Маха приводит к выводу о сохранении картины обтекания вен-цов во всех рассмотренных случаях для высоты рабочей лопатки 0—90 %.

Учет обтекания обуженной облегченной бан-дажной полки (см. рис. 7) искажает картину тече-

ния в радиальном зазоре за гребешками и на пе-риферийной части венца рабочей лопатки.

По результатам расчетов были построены ха-рактеристики турбины и , по-казанные на рисунках 8 и 9.

Рис. 8. Зависимость пропускной способности от степени расширения. Модели B1, B2, B3, S_2





Рис. 9. Зависимость КПД от степени расширения. Модели B1, B2, B3, S_2

Зависимость пропускной способности от сте-пени расширения газа имеет обычный вид: при докритическом перепаде давления пропускная способность с повышением возрастает. При сверхкритическом перепаде пропускная способ-ность турбины остается постоянной.

КПД турбины в диапазоне значений монотонно уменьшается, в области монотонность нарушается. По-ви-

димому, такой характер протекания зависимости связан с переходом течения в транс-

и сверхзвуковой режим, что несколько снижает точность расчета.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

1. Изменение конструкции бандажных полок практически (в пределах точности расчетов) не влияет на пропускную способность ТВД, следо-вательно, не изменится совместная работа узлов всего ГТД.

2. Учет радиального зазора 0,7 мм в точке = 63 в CFD-модели ведет к снижению величи-

ны КПД относительно «гладкого» тракта: — на 0,7 % для трехгребешковой «классиче-

ской» бандажной полки (вариант В1); — на 0,9 % для двухгребешковой «классиче-

ской» бандажной полки (вариант В2); — на 2 % для двухгребешковой «обуженной»

бандажной полки (вариант В3).Таким образом, облегчение полки по типу ва-

рианта В3 вносит ухудшение КПД ступени при-близительно на 1 % по сравнению с «классиче-

ской» полкой. Это ухудшение невозможно оце-нить по существующим инженерным методикам.

Наибольшие потери КПД, очевидно, вносит перетекание газа с корытца на спинку, которое имеет место за крайним гребешком (см. рис. 7). Эта утечка также снижает эффективность лаби-ринтного уплотнения бандажной полки — отсут-ствует вихрь за крайним правым гребешком.

Рассчитанный вариант В3 выполнен по схе-ме облегчения с неполным осевым перекрытием профиля и характеризуется наибольшими поте-рями от окружного перетекания газа среди воз-можных схем облегченного бандажирования ло-паток [1]. В реальной конструкции целесообразно предусмотреть мероприятия для увеличения гид-равлического сопротивления окружному перете-канию с целью повышения КПД.

Модифицированная конструкция бандажа показана на рисунке 10. Участки полки с перед-ней стороны создают сопротивление перетека-нию газа с корытца на спинку, а перекрытие горла межлопаточного канала препятствует утечкам со стороны заднего торца, что также повышает эф-фективность лабиринтного уплотнения.

КПД турбины с такой облегченной полкой бу-дет несколько уступать «классическому» вариан-ту бандажирования, но снижение КПД будет со-ставлять менее 1 %, при этом прочность лопатки и ее ресурс будут значительно увеличены. Допол-нительный выигрыш от применения облегченных полок заключается в снижении потребных затрат воздуха на их охлаждение.

Рис. 10. Модифицированная облегченная бандажная полка (заштрихованы участки, создающие дополнительное сопротивление окружному перетеканию газа)

Итак, облегчение бандажных полок рабочих лопаток путем введения контурных вырезов при-водит к некоторому снижению КПД турбины, ко-торое может быть оценено с помощью CFD-рас-четов. При облегчении полок высокоскоростной высокотемпературной турбины необходимо со-

блюсти разумный баланс между снижением цен-тробежной силы и потерями КПД. Безусловным преимуществом облегченных бандажных полок является снижение затрат воздуха на их охлажде-ние, что также должно учитываться при выборе оптимального варианта.

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Белоусов А. И. Диалектика облегчения бандажных полок лопаток турбин / А. И. Белоусов,

С. В. Наздрачев // Насосы. Турбины. Системы. — 2015. — № 3 (16). — С. 7—14.2. Белоусов А. И. Дефекты бандажированных лопаток высокотемпературных турбин / А. И. Бело-

усов, С. В. Наздрачев // Вестник СГАУ. — 2013. — № 3 (41). — Ч. 2. — С. 15—21.3. Локай В. И. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет /

В. И. Локай, М. К. Максутова, В. А. Стрункин. — М. : Машиностроение, 1979. — 448 с.

INFLUENCE OF THE DESIGN FEATURES OF TURBINE SHROUDED BLADES ON THE LOSSES OF EFFICIENCY

A. I. BelousovProfessor of «Construction and Design of Aircraft Engines» department of Samara State Aerospace University named after acad. S. P. Korolev (National Research University), Honored Scientist of the RSFSR, Honored Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation, the Winner of the Provincial Award, Dr. Tech. Sci. (Russia, Samara), [email protected]

G. M. PopovAssistant of «Construction and Design of Aircraft Engines» department Samara State Aerospace University named after acad. S. P. Korolev (National Research University) (Russia, Samara), [email protected]





S. V. NazdrachevHead of the team of Turbines department JSC «Kuznetsov» (Russia, Samara), [email protected]

O. A. KomarovDesign Engineer JSC «Kuznetsov» (Russia, Samara), [email protected]

O. A. KokorevaDesign Engineer JSC «Kuznetsov» (Russia, Samara), [email protected]

Abstract. Settlement assessment of efficiency of a step of the high pressure shrouded turbine of GTD NK-36ST for various options of shrouded blade is executed. On the basis of the received re-sults some measures to increase efficiency of facilitated shrouded blades are offered.Keywords: shrouded blade, labyrinth seal, loss of radial clearance, computational fluid dynamics.

R E F E R E N C E S1. Belousov A. I. Dialectics of turbine shrouded blades facilitation / A. I. Belousov, S. V. Na zdra-

chev // Pumps. Turbines. System. — 2015. — № 3 (16). — P. 7—14.2. Belousov A. I. Defects of shrouded blades of high-temperature gas turbines / A. I. Belousov, S. V. Naz-

drachev // Bulletin of Samara State Aerospace University. — 2013. — № 3 (41). — Part 2. — P. 15—21.3. Lokai V. I. Gas turbine aircraft engines. The theory, design and calculation / V. I. Lokai, M. K. Maksutova,

V. A. Strunkin. — M. : Mechanical engineering, 1979. — 448 p.

УДК 621.452

ПРИМЕНЕНИЕ НАДРОТОРНЫХ УСТРОЙСТВ ЛАБИРИНТНОГО ТИПА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОСЕВЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТУПЕНЕЙ

Ю. М. АнуровГенеральный конструктор департамента газотурбинных технологий ООО «ИПЭ и Г», д. т. н. (Россия, г. Санкт‑Петербург), [email protected]

В. А. КовальАкадемик Инженерной академии Украины, д. т. н. (Украина, г. Харьков), [email protected]

В. Е. МихайловГенеральный директор ОАО «НПО ЦКТИ», д. т. н. (Россия, г. Санкт‑Петербург), VEMikhailov@ cnitmash.com

Приведены результаты расчетно-экспериментальных исследований различных ступе-ней осевых компрессоров газотурбинных двигателей с надроторной поверхностью в виде кольцевых канавок лабиринтного типа, применяемых как для расширения диапазона бес-срывной работы, так и повышения коэффициента полезного действия лопаточной маши-ны. CFD-моделирование проведено с помощью 3D-программного комплекса ANSYS.Ключевые слова: компрессор, расчет, эксперимент, турбулентная вязкость, поле течения, граница срыва, эффективность.

Введение

Несмотря на многочисленные исследова-ния в области пассивного (не связанного с под-водом/отводом механической энергии) управ-ления течением у концов рабочих лопаток осе-вых компрессоров, проведенные во второй по-ловине прошлого века и в начале этого столетия, в специальной литературе до сих пор существу-ют споры о сложном механизме аэродинамиче-ского взаимодействия надроторного устройства (НРУ) и колеса. Это относится даже к простым НРУ лабиринтного типа — кольцевым канавкам в кор-пусе вдоль всей окружности (одна или несколь-ко проточек, см. рис. 1) или же к перфорациям в виде обычных сверлений [1]. Следует отметить, что кольцевые НРУ — одно из наиболее простых в технологическом отношении мероприятий, связанных с расширением диапазона бессрыв-ной работы и минимальным влиянием на КПД по сравнению с осевыми, угловыми и наклонны-ми пазами (прорезями) [2]. Как показывают ре-зультаты исследований, в случае постановки ла-

биринтного НРУ можно ожидать смещения грани-цы срыва влево до 4…6 %, а иногда даже с некоторым увеличением КПД (≤1…2,5 %). Здесь верхний индекс «о» — со-ответствует исходному варианту — гладкой про-точной части (ГПЧ). Несмотря на то, что эффект по

от применения прорезных пазов может быть больше 10 %, а для более сложных конфи-гураций и выше (~18…20 %) [3], многие исследо-ватели сосредотачивают свое внимание на изуче-нии простых лабиринтных устройств, например, одной канавки и ее рационального размещения вдоль осевой проекции хорды [4 и др.].

Рис. 1. Лабиринтное надроторное устройство © Ануров Ю. М., Коваль В. А., Михайлов В. Е., 2016

ПОДПИСКА – 2016

Проводится подписная кампания на журнал

«Насосы. Турбины. Системы»Подписку на журнал можно оформить в почтовых

отделениях по Объединенному каталогу Пресса России«Подписка – 2016»

Подписной индекс – 43739





Рис. 2. Формирование TLV

По мнению авторов, простая конфигурация НРУ поможет понять еще не изученный механизм воздействия корпуса на поток в области радиаль-ного зазора и объяснить положительное смеще-ние границы вращающегося срыва, что необхо-димо при моделировании эффекта от постановки устройств более сложного вида.

Состояние проблемы

Механизм смещения влево границы срыв-ных режимом многие зарубежные исследователи связывают с особенностями формирования тече-ния рабочего тела в области радиального зазо-ра. Здесь особая роль отводится так называемо-му вихревому шнуру, вызванному поперечным перетеканием среды со стороны более высокого давления лопатки к ее спинке (Tip Leakage Vortex, см. рис. 2). Считается, что вихревой шнур форми-руется у входной кромки, а далее, по мере умень-шения коэффициента расхода и соответствую-щего роста статического давления, смещается вверх по потоку. В какой-то момент внутри меж-лопаточного канала происходит взаимодействие TLV с оторвавшимся профильным пограничным слоем и выделение здесь зоны повышенной дис-сипации механической энергии (Blockage Zone, см. рис. 2). Следует отметить, что ряд исследовате-лей связывает момент потери устойчивости дви-жения с фронтальным расположением вихревого шнура по входным кромкам лопаток. Однако, как было показано в работе [5], подобная схема тече-ния не является общей для разных объектов, что

и приводит к большой погрешности определения (25… 30 %).

Расчетное определение положения указан-ной диссипативной зоны в области радиального зазора с помощью 3D CFD-комплексов RANS по-зволило в работе [4] установить и рациональное место размещения одинарной кольцевой канав-ки. По мнению авторов, наличие здесь надротор-ной полости должно устранить (затянуть) дрос-селирующий эффект в периферийных сечени-ях межлопаточного канала и тем самым сместить границу срыва в сторону меньших значений . Было установлено, что размещение одной коль-цевой канавки над роторами одноступенчатых вентиляторов NASA 37 и IHI FRTM с малым отно-сительным диаметром втулки на определен-ном расстоянии от входной кромки лопатки при-вело к повышению запасов устойчивой работы. Для ротора NASA 37 это расстояние соответству-ет ~20 % осевой проекции хорды (радиальный зазор равен 0,45 % от высоты лопатки), а для ко-леса IHI FRTM — 20…50 % от (радиальный за-зор равен 1,22 % от ). При этом в первом слу-чае эффект от применения НРУ соответствует

≈ 3,7 %, а во втором — 0,5…0,6 % и, прак-тически, не сопровождается снижением КПД сту-пеней. Размещение кольцевой канавки в области выходной кромки обоих вентиляторов к положи-тельному эффекту не привело.

В работе [2] приведены результаты исследо-ваний шестиканавочного НРУ (полный лабиринт, типа рис. 1) на характеристики компрессорной ступени NASA 67 c . Авторами уделено вни-мание особенностям моделирования 3D-тече-ния с помощью CFD-комплекса RANS как в обла-сти радиального зазора, так и в самих канавках. При этом рассматриваются варианты частично-го использования канавок в плане их размеще-ния вдоль осевой проекции хорды лопатки, на-пример, ‘1-2-3’ (первая, вторая и третья канавки). В результате численного эксперимента установ-лено, что для расширения диапазона устойчи-вой работы предпочтительно использование ва-рианта ‘1-2-3’, где составляет 5,41 %. Комби-нация канавок ‘2-3-4’ способствует смещению гра-ницы срыва на 2,63 %, а сочетание ‘4-5-6’ — всего лишь на 0,63 %. Следует отметить, что рассчитан-ное максимальное значение КПД ступени для всех вариантов практически остается неизмен-ным. Здесь, так же как и в работе [4], пассивное управление течением в области выходной кром-ки рабочей лопатки оказалось неэффективным.

Для объяснения положительного эффекта от смещения границы срыва или увеличения КПД с постановкой НРУ авторы работы [2] рассматри-вают уравнение импульсов для радиального зазо-ра в осевом направлении. При этом анализирует-ся серия дискретных контрольных объемов (от ка-навки к канавке), чтобы получить в каждой точке контрольного участка значения энтропии, осево-го импульса, осевой силы и сдвиговых напряже-ний. Считается, что интегрирование уравнения импульсов вдоль всей хорды может удалить боль-шую часть информации о физике потока. Эти пара-метры являются объективным показателем эффек-тивности применения той или иной комбинации кольцевых канавок. В результате расчетов уста-новлено, что повышенные значения энтропии на корпусе машины в определенном месте дают воз-можность применить здесь канавку (канавки) для повышения КПД ступени. Высокие значения осе-вого импульса — основание для обработки корпу-са кольцевыми канавками с целью смещения гра-ницы срыва влево. Экспериментального подтвер-ждения такой подход в работе [2] не получил.

Для оценки эффективности применения НРУ, расширяющих диапазон устойчивых ре-жимов, в ряде работ используется выраже-

ние [2, 4].

При таком способе оценки величины ∆S могут быть существенно больше , например,

(полный шестиканавочный лаби-ринт), а = 7,2 % [2].

Для объяснения механизма перехода к режи-мам вращающегося срыва в ступенях с НРУ во мно-гих работах активно используется модель течения в радиальном зазоре и, в частности, особенности поведения TLV (см. рис. 2). Однако, как было опи-

сано в работах [5—7], сложное вихревое движе-ние в радиальном зазоре, какой бы интенсивно-сти оно не было, не может являться основным ис-точником возмущения, приводящего к потере га-зодинамической устойчивости. Здесь необходимо связывать условия нарушения устойчивости дви-жения не с отдельными сечениями рабочей ло-патки (в данном случае — с областью радиально-го зазора), а с венцом в целом. В этом случае на предсрывных режимах достаточно мощным ис-точником возмущения установившегося состоя-ния может служить сложное струйно-вихревое те-чение в центральной области канала, обусловлен-ное стеканием пограничных слоев с обеих поверх-ностей лопатки к корпусу машины под действием неуравновешенных центробежных сил (рис. 3, а). Радиальная струя, приобретая дополнительную кинетическую энергию при переходе в абсолют-ную систему координат у торцевой стенки, может проникать в основную часть потока по направле-нию к втулке на достаточно большую глубину, вы-зывая дефект продольного течения.

На рисунке 3, б показаны шаговые эпюры про-дольной дополнительной скорости в ближнем сле-де и улов предельных линий тока про-фильного пограничного слоя (наклона оси ближ-него аэродинамического следа θ). Эти поля полу-чены авторами в результате 3D-траверсирования потока в относительной системе координат за ра-бочим колесом ступени С-1 ( ) на с помощью специально разработанного инстру-ментария [5, 6]. На этом же рисунке показаны изо-линии относительной скорости в области радиаль-ного зазора ( ) на режиме, предшествую-щем вращающемуся срыву, которые найдены рас-четным путем с помощью CFD-комплекса ANSYS [5, 9]. Дефектные явления в центре межлопаточно-го канала просматриваются достаточно наглядно.

а б

Рис. 3. Радиальный сброс пограничного слоя (а) и картина течения у концов рабочих лопаток ступени С-1 (б) на предсрывном режиме





Следует отметить, что картина течения на предсрывных режимах в виде предельных линий тока, показанная на рисунке 3, а, характерна для

многих рабочих колес ступеней с малыми значе-ниями , что подтверждено не только результа-тами 3D-расчетов, но и экспериментально.

а б

Рис. 4. Картины течения в профильном пограничном слое на спинке профиля рабочей лопатки (а) и радиальные эпюры угла θ в ближнем следе (б) за колесом ступени С-1

В частности, на рисунке 4, а показаны рассчи-танные картины предельных линий тока на спин-ке рабочей лопатки ступени С-1 для режима мак-симального КПД ( ) и предсрывного режи-ма работы , а на рис. 4, б — радиаль-ные эпюры углов наклона оси ближнего следа θ за колесом.

Анализ приведенных данных свидетельствует об удовлетворительном качественном и количе-ственном совпадении результатов расчетов с опы-том. Видно, что интенсивные радиальные токи, ха-рактерные для задней половины пера лопатки, попадая на корпус, формируют в данной области возмущающие воздействия на течение в целом.

Данное обстоятельство наводит на мысль о нецелесообразности применения надроторных устройств канавочного типа во входной области

ротора (0…50 % от осевой проекции хорды), как это было рекомендовано для повышения запасов устойчивости машины [2, 4]. На рисунке 5 показа-ны характеристики ступени С-1 в виде зависимо-стей нормированных значений и

от для двух вариантов ис-полнения корпуса машины — ГПЧ и с лабиринт-ным НРУ в виде четырех кольцевых канавок, рас-положенных в области первой половины осевой проекции хорды лопатки ( ). Входная кром-ка профиля лопатки расположена у задней стен-ки первой канавки шириной 2,74 %, ширина трех остальных канавок составила 4,8 % с толщиной стенок 2,74 % от . Глубина НРУ составляет 30,2 % от размера хорды профиля b, или 22 % от высоты лопатки на входе. Радиальный зазор в обоих слу-чаях составлял 0,5 % от высоты лопатки.

Рис. 5. Характеристики ступени С-1 с ГПЧ и лабиринтом:

—○— ГПЧ; ---∆--- лабиринт

Видно, что постановка лабиринтного НРУ практически не привела к улучшению характери-стик в плане повышения КПД и расширения диа-пазона устойчивой работы ступени. Следует от-метить, что в работе [2] указано на положитель-ную роль кольцевой канавки, расположенной перед носиком лопатки (так называемая ‘0’ — ка-навка) в составе ‘0-1-2-3’, подобной конфигурации для ступени С-1. Для указанного четырехканавоч-ного НРУ рассчитанное смещение границы срыва влево составило .

Анализ формы движения потока за рабочим колесом ступени С-1 в виде экспериментального распределения для обоих вариан-тов — ГПЧ и лабиринтного НРУ — свидетельство-вал о том, что на предсрывных режимах работы эпюры осевых скоростей были близки. При этом величина среднестатистического расхождения

(с учетом радиального изменения) составила ≤1 %. Данных о распределении осевых ско-

ростей в работах [2, 4] не приводится.Что касается применения НРУ в ступенях

с большими значениями , то здесь, как показы-вают результаты исследований, какой-либо зна-чительный эффект, связанный со смещением гра-ницы срыва, сопровождается изменением формы движения потока по высоте канала. В качестве примера можно привести результаты численно-го исследования ступени с , выполнен-ного с помощью комплекса ANSYS CFX-11.0 (мо-дель турбулентной вязкости k-ε) [8]. Надротор-ное устройство конструктивно выполнено в виде наклонных щелей (j = 60 град.) с высотой 10 мм, осевой протяженностью 40 мм, шириной паза 5,45 мм и шириной 12 мм (рис. 6).

Рис. 6. Радиальное распределение нормализованных осевых скоростей за колесом на предсрывных режимах с ГПЧ и НРУ [7]

При диаметре корпуса в 1 м радиальный за-зор составил 2,5 % от высоты лопатки, или 3,4 % от хорды профиля. В результате эксперименталь-ных исследований установлено, что постанов-ка НРУ привела к смещению границы вращаю-щегося срыва влево примерно на 8 %. Радиаль-ные эпюры нормализованных осевых скоростей

в зависимости от относительной высоты лопатки для двух вариантов исполнения корпуса машины на предсрывных режимах пока-заны на рисунке 6. Видно, что форма движения потока разная. Как отмечают авторы, подобное перестроение течения при постановке НРУ связа-но с устранением «дефектной» области у концов

лопаток и соответствующим ростом осевой со-ставляющей скорости, т. е. смещением влево гра-ницы вращающегося срыва.

В случае положительного эффекта от поста-новки НРУ в виде кольцевых канавок наблюдает-ся картина течения за ротором, отличная от форм движения потока с ГПЧ. На рисунке 7 показаны ра-диальные поля осевых скоростей за колесом ступени C-2 , полученные авторами в результате экспериментальных исследований ва-риантов ГПЧ и НРУ. При этом установлено, что для данного устройства и заданного поля скоростей на входе в ступень составляет 3,3 %, а КПД ма-шины практически остается без изменения.





Рис. 7. Радиальное распределение нормализованных осевых скоростей за колесом ступени С-2

на предсрывных режимах с ГПЧ и НРУ:

—○— ГПЧ; ---∆--- НРУ

Конструктивно лабиринтное устройство вы-полнено с пятью канавками шириной и толщиной стенок 2 мм, а глубиной — 5 мм. Расстояние от пе-редней торцевой стенки первой канавки до вход-ной кромки лопатки равно 1,3 мм, радиальный за-зор соответствует 1,4 % от высоты лопатки. Из ри-сунка видно, что постановка НРУ приводит к из-менению профиля осевой скорости по высоте лопатки, однако это изменение не столь существен-ное и соответствует небольшому уровню .

Представляет интерес применение канавоч-ных НРУ в многоступенчатых машинах с повы-шенными значениями . С этой целью был ис-следован двухступенчатый компрессор К-1-2 ( на входе и на выходе) при двух вариантах исполнения корпуса — ГПЧ и ше-стиканавочными НРУ (рис. 1). Для обоих колес первая канавка размещена вниз по течению от-носительно входной кромки лопатки на 1 мм. Ши-рина канавки равна 2 мм, толщина стенки лаби-ринта — 2 мм, а глубина канавки — 5 мм. Ради-альный зазор для всей проточной части составил 1,3 % от высоты первого рабочего колеса на вхо-де (РК-1). Радиальные распределения за обо-ими колесами для вариантов ГПЧ и НРУ на режи-мах, предшествующих вращающемуся срыву, по-казаны на рисунке 8.

Обращает на себя внимание то обстоятель-ство, что безразмерные эпюры осевой состав-ляющей скорости за РК-1 и РК-2 на границе вра-щающегося срыва для обоих вариантов исполне-ния корпуса компрессора остаются практически

без изменения. Не изменилась и граница срыва при использовании указанного НРУ в компрессо-ре ( ≈1 %) при незначительном уменьше-нии КПД машины (менее 1 %).

Рис. 8. Радиальное распределение нормализованных осевых скоростей за РК-1 и РК-2 компрессора К-1-2

на предсрывных режимах с ГПЧ и НРУ:

—○○— ГПЧ; ---∆∆--- НРУ

На рисунке 9 показаны картины 3D-тече-ния у концов РК-2 двухступенчатого компрессо-ра с ГПЧ и НРУ, полученные авторами с помощью 3D-комплекса ANSYS [9]. Видно, что применение НРУ способствует увеличению относительной скорости потока не только в радиальном зазо-ре, но расширяет площадь надроторной поверх-ности (смачиваемого периметра) с достаточно большим уровнем скорости (особенно в первых трех канавках). Это приводит к росту гидравличе-ских потерь и снижению КПД машины. Каких-ли-бо «дефектных» областей в рассматриваемой об-ласти, способствующих блокированию течения (см. рис. 2) и более раннему появлению срывных режимов, обнаружено не было.

Данное обстоятельство подтверждает упомя-нутый выше факт прямой зависимости смещения границы срыва в случае постановки НРУ от фор-мы движения потока за колесом в области . Чем больше величина , тем значительнее должна быть деформация радиального поля осе-вой скорости. При этом анализ потери газоди-намической устойчивости следует связывать не с отдельным сечением рабочего колеса, в частно-сти периферийным сечением или течением в ра-диальном зазоре, а с движением потока в роторе в целом [5—7].

а б в

Рис. 9. Изолинии относительной скорости у концов РК-2 с ГПЧ (а), НРУ (б) и векторная проекция относительной скорости на плоскость в радиальном зазоре с НРУ (в) в компрессоре К-1-2

Проблема здесь заключается в надежном определении поля течения в меридиональной плоскости компрессора, включая интегральные характеристики профильного и торцевого по-граничных слоев для вариантов ГПЧ и НРУ. С уче-том накопленного опыта использования 3D-про-граммных пакетов RANS, моделей турбулентной вязкости, а также постоянного совершенствова-ния этих комплексов при решении подобных за-дач, можно ожидать адекватных результатов мо-

делирования течения на предсрывных режимах работы ступеней. Вместе с тем необходимо учиты-вать и то обстоятельство, что погрешность опре-деления величины с помощью 3D-комплек-сов достаточно велика (~15 %) [5, 6], т. е. больше самой прогнозируемой величины . Поэто-му здесь для определения можно рекомен-довать методологию c использованием критери-ального соотношения

учитывающего особенности формирования про-фильного и торцевого пограничных слоев [5, 6]. При наличии в корпусе компрессора кольцевых ка-навок или устройств с иной конструкцией эффект от применения НРУ можно оценить с помощью ста-тистического подхода, основанного на методе по-добия и размерности. Такой подход позволяет учи-тывать радиальные поля течения и геометрические параметры ступени [10].


В результате проведенных исследований уста-новлено, что однозначного представления об эф-фективности применения надроторных кольцевых канавок в осевых компрессорных ступенях для по-

вышения запасов устойчивой работы не существу-ет. Не выявлена и доминирующая роль концевого вихря у передней кромки лопатки, вызванного по-перечным перетеканием рабочего тела в радиаль-ном зазоре, влияющего на границу вращающегося срыва. Вместе с тем показано, что в диапазоне зна-чений и имеет место изменение фор-мы движения потока за колесом по всей высоте ло-патки, причем эффект смещения границы срывных появления зон прямо зависит от степени деформа-ции эпюры . Пассивное управление те-чением у концов рабочих лопаток приводит к из-менению интегральных характеристик погранич-ного слоя, от которых зависит и величина .

Приведенные данные свидетельствуют о не-обходимости дальнейших расчетно-теоретиче-ских и экспериментальных исследований.





Л И Т Е Р А Т У Р А1. Стецюк М. И. Расчетное исследование влияния надроторного устройства на работу компрессо-

ра / М. И. Стецюк // Cб. тезисов науч.-техн. конгресса по двигателестроению, 19—21 апр. 2016. — М. : ЦИАМ, 2016. — С. 37—38.

2. The momentum balance in the blade tip region and the effectiveness of circumferential grooves in a transonic rotor / X. Nan, J. Chen, C. Morris [at al.] // Proc. of ASME Turbo Expo 2013: Power for Land, Sea and air. GT 2013—95372, June 3—7, 2013, San Antonio, Texas, USA. — 13 р.

3. Stall margin improvement in three-stage low pressure compressor by use of slot type casing treat-ments / F.S. Gelmedov, V. I. Mileshin, P. G. Kozhemyako, I. K. Orekhov // Proc. of ASME Turbo Expo 2014: Pow-er for Land, Sea and air. GT 2014—26298, June 16—20, 2014, Düsseldorf, Germany. — 11 p.

4. Numerical analysis of flow in a transonic compressor with a single circumferential casing groove: ap-plication to two different compressor rotors / Y. Sakuma, T. Watanabe, T. Himeno [at al.] // Proc. of ASME Tur-bo Expo 2013: Power for Land, Sea and air. GT 2014—26691, June 16—20, 2014, Düsseldorf, Germany. — 12 p.

5. Коваль В. А. Прогнозирование срывных режимов осевых компрессоров ГТД с учетом особенно-стей формирования профильного и торцевого пограничных слоев / В. А. Коваль, В. Е. Михайлов // Раз-работка, производство и эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и систем на их основе : мат. VIII Междунар. науч.-техн. конф. «СИНТ—15». — Воронеж : Научная книга, 2015. — С. 58—66.

6. Особенности рабочих процессов в газотурбинных и парогазовых энергетических установ-ках и их элементах / В. А. Коваль, В. Е. Михайлов, В. В. Романов, Е. А. Ковалева. — Харьков : Монограф, 2013. — 334 с.

7. Особенности расчета границы срыва осевых компрессоров ГТД / Ю. М. Ануров, В. А. Коваль, В. Е. Михайлов [и др.] // Газотурбинные технологии. — 2013. — № 6 (117). — С. 28—31.

8. Hwang Y. Numerical study on the effects of casing treatment on unsteadiness of tip leakage flow in an axial compressor / Y. Hwang, S.-H. Kang // Proc. of ASME Turbo Expo 2012: Power for Land, Sea and air. GT 2012—68444, June 11—15, 2012, Copenhagen, Denmark. — 11 p.

9. Ануров Ю. М. Верификация 3D-программных комплексов CFD для расчета вязких течений в осе-вых турбомашинах / Ю. М. Ануров, В. А. Коваль, В. Е. Михайлов // Насосы. Турбины. Системы. — 2014. — № 3 (12). — С. 57—65.

10. Коваль В. А. Улучшение характеристик осевого компрессора ГТД / В. А. Коваль, А. В. Сквор-цов // Компрессорная техника и пневматика. — 2007. — № 3. — С. 22—28.

APLICATION OF THE OVER ROTOR DEVICES OF LABYRINTH TYPE TO INCREASE EFFICIENCY OF AXIAL COMPRESSOR STAGES

Abstract. The results of computational and experimental studies of the various stages of axial compressors of gas turbine engines with over rotor surface in the form of annular grooves of lab-yrinth type used for enlarging the stable operating range, and improve the efficiency of the ma-chine blade. CFD-simulations conducted using ANSYS3D-software.Keywords: compressor, calculation, experiment, turbulent viscosity, flow field, stall margin, effi-ciency.

Y. M. AnurovGeneral Designer of the «Turbine Technologies» Department LLC «IPE and G», Dr. Tech. Sci. (Russia, Saint‑Petersburg), [email protected]

V. A. KovalAcademician of Ukraine Engineering Academy, Dr. Tech. Sci. (Ukraine, Kharkov), [email protected]

V. E. MikhailovGeneral Director of JSC «NPO CKTI», Dr. Tech. Sci. (Russia, Saint‑Petersburg), [email protected]

R E F E R E N C E S1. Stecyuk M. I. Settlement research of the impact of the over rotor devices on the compressor work /

M. I. Stecyuk // Coll. thesis scientific and engineering. Congress on engine building, 19—21 April. 2016. — M. : CIAM, 2016. — P. 37—38.

2. The momentum balance in the blade tip region and the effectiveness of circumferential grooves in a transonic rotor / X. Nan, J. Chen, C. Morris [at al.] // Proc. of ASME Turbo Expo 2013: Power for Land, Sea and air. GT 2013—95372, June 3—7, 2013, San Antonio, Texas, USA. — 13 p.

3. Stall margin improvement in three-stage low pressure compressor by use of slot type casing treat-ments // F. S. Gelmedov, V. I. Mileshin, P. G. Kozhemyako, I. K. Orekhov // Proc. of ASME Turbo Expo 2014: Power for Land, Sea and air. GT 2014—26298, June 16—20, 2014, Düsseldorf, Germany. — 11 p.

4. Numerical analysis of flow in a transonic compressor with a single circumferential casing groove: ap-plication to two different compressor rotors / Y. Sakuma, T. Watanabe, T. Himeno [at al.] // Proc. of ASME Tur-bo Expo 2013: Power for Land, Sea and air. GT 2014—26691, June 16—20, 2014, Düsseldorf, Germany. — 12 p.

5. Koval V. A. Prediction of shear modes axial compressor turbine engine allowing for the formation of the profile and mechanical boundary layers / V. A. Koval, V. E. Mikhailov // Development, manufacture and operation of turbo-electric pump units and systems based on them : mat. VIII Intern. scientific and engineer-ing. conf. «SINT—15». — Voronezh : Science Book, 2015. — P. 58—66.

6. Features of working processes in gas turbine and combined cycle power plants and their compo-nents / V. A. Koval, V. E. Mikhailov, V. V. Romanov, E. A. Kovaleva. — Kharkov : Monographs, 2013. — 334 p.

7. Features of the calculation of the border disruption axial compressor GTE / Y. M. Anurov, V. A. Koval, V. E. Mikhailov // Gas turbine technology. — 2013. — № 6 (117). — P. 28—31.

8. Hwang Y. Numerical study on the effects of casing treatment on unsteadiness of tip leakage flow in an axial compressor / Y. Hwang, S.-H. Kang // Proc. of ASME Turbo Expo 2012: Power for Land, Sea and air. GT 2012—68444, June 11—15, 2012, Copenhagen, Denmark. — 11 p.

9. Anurov Y. M. Verification of the 3D-CFD software systems for calculation of viscous flows in axial tur-bomachinery / Y. M. Anurov, V. A. Koval, V. E. Mikhailov // Pumps. Turbines. Systems. — 2014. — № 3 (12). — P. 57—65.

10. Koval V. A. Improved performance axial compressor GTE / V. A. Koval, A. V. Skvortsov // Compressor equipment and pneumatics. — 2007. — № 3. — P. 22—28.










УДК 621.452.32

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ МНОГОРЕЖИМНОГО САМОЛЕТА С НЕЗАВИСИМО УПРАВЛЯЕМЫМ ТРЕТЬИМ КОНТУРОМ

Ю. Н. ШмотинГенеральный конструктор ПАО «НПО «Сатурн», д. т. н. (Россия, г. Рыбинск), yuri. shmotin@ npo‑saturn. ru

Н. В. КикотьНачальник отдела перспективных разработок ПАО «НПО «Сатурн», к. т. н. (Россия, г. Рыбинск), nikolay.kikot@npo‑saturn.ru

Г. В. КретининНачальник бригады термодинамических расчетов ПАО «НПО «Сатурн», д. т. н., профессор (Россия, г. Москва), [email protected]

И. А. ЛещенкоВедущий инженер‑конструктор бригады термодинамических расчетов ПАО «НПО «Сатурн», д. т. н., с. н. с. (Россия, г. Москва), [email protected]

К. С. ФедечкинВедущий инженер‑конструктор бригады термодинамических расчетов ПАО «НПО «Сатурн», к. т. н., доцент (Россия, г. Москва), [email protected]

Проработана концепция модернизации двухконтурного двигателя с низкой степенью двухконтурности, состоящая в перепуске воздуха из-за первой ступени вентилятора в тре-тий контур, оканчивающийся независимо управляемым соплом. Для анализа термодина-мических процессов сформирована нелинейная математическая модель трехконтурного двигателя. Разработаны методики учета внешнего сопротивления входного и выходного устройств. Определены режимы полета, где перепуск воздуха в третий контур оказывает наибольший положительный эффект. Проведена оптимизация параметров управления ре-гулируемыми элементами двигателя. Полученные расчетным путем оценки показали, что на дозвуковых крейсерских режимах полета применение независимо управляемого треть-его контура позволяет улучшить топливную экономичность на 7—11 %.Ключевые слова: повышение топливной эффективности, двигатель изменяемого цикла, трехконтурный двигатель, силовая установка истребителя, термодинамическая модель.

Введение

Возможности совершенствования силовых установок (СУ) с газотурбинными двигателями, связанные с традиционным повышением пара-метров термодинамического цикла, приблизи-лись к пределу. Поэтому работа по исследова-нию авиационных ГТД сложных схем (и, соответ-

ственно, реализующих сложный термодинами-ческий цикл) приобретает особую актуальность. Одним из многообещающих направлений являет-ся использование двигателей изменяемого цик-ла (ДИЦ), которые призваны революционно улуч-шить ЛТХ многорежимных самолетов за счет оп-тимальной адаптации силовой установки к каж-дому режиму полета.

В рекламных проспектах компании General Electric по проекту ADVENT (ADaptive Versatile ENgine Technology) обещается существенное,

до 25 %, снижение расхода топлива за счет при-менения независимо управляемого третьего контура (см. ри. 1). Однако никаких конкретных

сведений о параметрах цикла, особенностях конструкции и управлении такой СУ не при-водится.

Рис. 1. Проект ADVENT компании General Electric

В работе [1] проводится достаточно глубо-кий анализ указанного типа СУ, прежде всего об-ластей эффективного применения третьего кон-тура и физической сущности явлений, позво-ляющих улучшить топливную эффективность. Тем не менее конкретных данных о том, насколь-ко улучшается экономичность двигателя, в ней также не содержится.

В этой связи для авторского коллектива при-обрела актуальность задача исследования ха-рактеристик трехконтурного двигателя с целью оценки целесообразности проведения НИОКР в данной области. Для обеспечения коррект-ности оценок все данные сравнивались с дви-гателем-прототипом, имеющим схему ТРДДФсм и параметры рабочего процесса, свойствен-ные современным СУ отечественных истребите-лей. При этом предусматривается отбор воздуха в третий контур после первой ступени трехсту-пенчатого вентилятора.

Проведение исследования потребовало разработки новых методик оценки экономично-сти СУ с учетом внешнего сопротивления вход-ного и выходного устройств. Работа включает анализ параметров и характеристик трехкон-турного двигателя с термодинамической точ-

ки зрения, оптимизацию его программ управле-ния, предварительную оценку особенностей те-чения в точке отбора воздуха в третий контур, а также конструктивно-компоновочную про-работку.

Объект исследования

Трехконтурный двигатель изменяемого про-цесса (ТДИП) содержит все элементы, имеющиеся у ТРДДФсм. В отличие от традиционного ТРДДФсм, ТДИП (рис. 2) также содержит:

— канал третьего контура (9); — регулируемое сопло третьего контура (7); — регулируемый разделитель потоков (3), спо-

собный перекрыть вход в канал третьего контура.Регулируемый разделитель потоков (3) (обо-

значим его РК-1 как первый по потоку раздели-тельный корпус) установлен за первой ступенью компрессора низкого давления (1).

При открытии канала третьего контура часть воздуха из-за первой ступени компрессора низ-кого давления поступает в указанный канал и вы-текает в атмосферу через отдельное регулируе-мое сопло третьего контура (7).

Рис. 2. Расчетная схема двигателя © Шмотин Ю. Н., Кикоть Н. В., Кретинин Г. В.,

Лещенко И. А., Федечкин К. С., 2016





Когда канал третьего контура перекрыт, весь воздух из первой ступени КНД поступает в после-дующие ступени КНД. В этом случае первая сту-пень КНД (1) и группа последующих ступеней КНД (2) работают как единый компрессор, аналогично КНД традиционного ТРДДФсм.

Будем для определенности называть первую ступень компрессора низкого давления КНД-1, а группу его последующих ступеней — КНД-2.

После КНД-2 по тракту двигателя расположен нерегулируемый разделитель потоков (4), харак-терный для традиционной схемы ТРДДФсм (РК-2). На РК-2 поток воздуха, вышедший из КНД-2, раз-деляется на два потока. Поток внутреннего конту-ра проходит последовательно через компрессор высокого давления (5), основную камеру сгора-ния (13), турбину высокого давления (11) и турби-ну низкого давления (12).

Поток наружного контура проходит через ка-нал второго контура (10) и смешивается с потоком внутреннего контура в смесителе (6). Далее сме-шанный поток проходит через форсажную каме-ру сгорания (14) и выбрасывается в атмосферу че-рез основное сопло (8), общее для первого и вто-рого контуров.

Корректное математическое моделирование работы компрессора низкого давления при зна-чительном отборе воздуха после первой ступени требует существенной доработки традиционных методик расчета. В идеале необходимо приме-нение т. н. трехпараметрической характеристики

КНД, у которой в дополнение к двум традицион-ным параметрам режима работы — приведенной частоте вращения и приведенному расходу возду-ха на входе (или на выходе) использовался бы тре-тий параметр режима: приведенный расход воз-духа, отбираемого после первой ступени. Полу-чение расчетным путем таких характеристик, при-годных для использования в термодинамической модели, требует неприемлемо больших вычисли-тельных затрат. А с учетом того, что входной на-правляющий аппарат КНД выполнен поворотным, и в результате характеристика такого КНД стано-вится зависимостью от четырех параметров, ука-занный путь представляется тупиковым (по край-ней мере, на нынешнем этапе развития вычисли-тельных возможностей).

В настоящей работе для моделирования КНД применен подход, когда вместо базовой характе-ристики использовались отдельные характери-стики его первой ступени и второй группы сту-пеней. Указанный подход позволяет корректно учесть влияние отбора за первой ступенью на ба-ланс расходов в сечении входа во вторую ступень.

На основе 3D-модели, подготовленной для га-зодинамических расчетов трехступенчатого ком-прессора в среде FINE Turbo, был реализован рас-чет характеристик отдельно для первой ступени и для группы, состоящей из второй и третьей сту-пеней. В качестве иллюстрации на рисунке 3 пред-ставлены характеристики исходного трехступен-чатого КНД, а также характеристики КНД-1 и КНД-2.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.01.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Приведенный расход воздуха КНД

Степ

ень

повы

шен

ия д

авле

ния

КНД

0.3(0.3)

0.35(0.35)

0.4(0.4)

0.45(0.45)

0.5(0.5)

0.55(0.55)

0.6(0.6)

0.7(0.7)

0.8(0.8)

0.85(0.85)

0.92(0.92)

0.95(0.95)

1(1)

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.11.0

1.5

2.0

2.5

Приведенный расход воздуха КНД-1

Сте

пень

пов

ыш

ения

дав

лени

я К

НД

-1

0.5(0.5)Fi=-30gr.

0.6(0.6)Fi=-30gr.

0.7(0.7)Fi=-30gr.

0.75(0.75)Fi=-22.8571gr.

0.8(0.8)Fi=-15.7143gr.

0.85(0.85)Fi=-9.375gr.

0.9(0.9)Fi=-6.25gr.

0.95(0.95)Fi=-3.125gr.

1(1)Fi=0gr.

а б в

Рис. 3. Характеристики КНД:

а — исходный КНД; б — КНД-1; в — КНД-2

Анализ силовой установки с использовани-ем «внутридвигательных» показателей эффектив-ности двигателя выявил, что применение третье-го контура не позволяет улучшить экономичность на крейсерских режимах полета. Этот факт связан с существенно неоптимальным распределением работы термодинамического цикла по контурам, в результате чего значительный рост суммарного расхода воздуха при заданной тяге двигателя не приводит к заметному снижению расхода топлива.

В связи с вышеуказанным возникла необхо-димость оценивать тягу не двигателя, а силовой установки, принимая во внимание не только раз-ницу импульсов входящего и выходящего пото-ков рабочего тела , но и внешнее сопротивление входного и выходного устройств.

Методика учета внешнего сопротивления входного

и выходного устройств

Внешнее сопротивление сверхзвукового входного устройства (СВУ) состоит из сопротив-ления обечайки и дополнительного сопротивле-ния. Дополнительное сопротивление возни-кает только на тех режимах работы СВУ, когда его коэффициент расхода j < 1. В рамках настоящей работы учитывалось только дополнительное со-противление входного устройства. Сила сопро-тивления входного устройства по жидкому конту-ру определяется с помощью выражения:

,

где — скоростной напор;

— площадь входного сечения воздухоза-борника;

— безразмерный коэффициент аэроди-намического сопротивления воздухозаборника по жидкой линии тока.

Величина изменяется при изменении режима работы входного устройства и скорости полета. При величина равна 0. При уменьшении величина возрастает. Уве-личение числа М полета приводит к возрастанию коэффициента аэродинамического сопротивле-ния. Для справки, при 0,5 и 0,8 величи-на составляет 0,23.

Внешнее сопротивление кормовой части вы-ходного устройства сверхзвукового самолета

возникает на сужающемся участке кормовой ча-сти гондолы. Сила сопротивления кормовой ча-сти определяется по формуле

где — скоростной напор; — площадь миделевого сечения мото-

гондолы; — коэффициент аэродинамического

сопротивления.Коэффициент аэродинамического сопротив-

ления задается как зависимость от отношения

площадей , с расслоением зависимости по

числу М полета.

Оценка потерь эффективной тяги за счет сопротивления входного

и выходного устройств

Прежде чем переходить от т. н. «внутридвига-тельных» тяги и удельного расхода топлива к ана-логичным параметрам, определяемым с учетом внешнего сопротивления (эффективным характе-ристикам силовой установки), необходимо оце-нить, на каких режимах работают входное и вы-ходное устройства, и какие значения принимает их аэродинамическое сопротивление.

В качестве базовой эталонной информации авторы располагают результатами расчета двига-теля-прототипа, выполненного без третьего кон-тура, т. е. по схеме ТРДДФсм. Для этого двигате-ля существует перечень условий полета и режи-мов его работы, при известных значениях тяги, определяемой без учета внешнего сопротивле-ния. Эти расчетные точки были оценены с помо-щью модели ТДИП.

В результате расчета получены данные, под-тверждающие, что коэффициент расхода вход-ного устройства имеет значение, меньшее 1, на всех режимах, кроме полета с максимальной ско-ростью. Так, при полете на малой высоте с дозву-ковой скоростью из-за большой плотности атмо-сферного воздуха двигатель приходится очень глубоко дросселировать, в результате при-нимает значение 0,4. На этом же режиме полета внешние створки сопла максимально прикрыты,

в результате отношение площадей , а сле-





довательно, и также имеют максимальные значения.

Наибольшее значение коэффициента аэро-динамического сопротивления СВУ достигается на крейсерских режимах полета (у земли и на вы-соте 11 км), а также при полете у земли с транс-звуковой скоростью при максимальном скорост-ном напоре.

На рисунке 4 представлены относительные составляющие тяги двигателя для различных условий полета. 100 % соответствуют тяге дви-гателя, получаемой по разнице его выходного и входного импульсов. Если от этой тяги отнять силы внешнего сопротивления на входном и вы-ходном устройствах, то для придания пропуль-

сивной силы летательному аппарату остается лишь эффективная тяга силовой установки RЭфф. В наибольшей степени потери на внешнее сопро-тивление актуальны на крейсерских режимах по-лета у земли.

Так, например, на режиме Н = 0, Мн = 0,7 суммарная доля потерь превышает 40 %! Из них большая часть приходится на входное устрой-ство. Т. о., для сообщения самолету движущей силы, достаточной для поддержания установив-шегося горизонтального полета, остается менее 60 % от тяги двигателя. При дальнейшем анализе характеристик СУ будем оперировать значения-ми именно эффективной тяги для режимов, ото-браженных на рисунке 4.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Н=0,Мн=0.9,

ПФ

Н=0,Мн=1.224,

ПФ

Н=1,Мн=0.9,

ПФ

Н=1,Мн=1.1,

ПФ

Н=5,Мн=0.9,

ПФ

Н=11,Мн=2.0,

ПФ

Н=11,Мн=2.35,

ПФ

Н=0,Мн=0.7,R=0.122

Н=0.2,Мн=0.61,

R=0.1

Н=11,Мн=0.9,R=0.089

Н=11,Мн=0.9,R=0.071

Н=15,Мн=1.6,

Max

X_вых

X_вх

R Эфф

Рис. 4. Относительные значения составляющих тяги для различных условий полета и режимов работы двигателя-прототипа (100 % — тяга двигателя)

Тяга двигателя напрямую связана с расходом топлива. Уменьшение тяги двигателя при сохра-нении постоянной эффективной тяги СУ должно снижать режим работы двигателя и уменьшить расход топлива. Таким образом, очевидна идея поиска путей снижения внешнего сопротивления силовой установки при поддержании заданных значений эффективной тяги.

Анализ данных, отображенных на рисунке 4, помогает обосновать перечень режимов поле-та и работы двигателя, для которых такой поиск актуален. Так, например, для режимов полного форсажа при числе М = 0,9 смысла снижать вне-

шнее сопротивление нет, поскольку оно и так ми-нимально. Нет также смысла искать способ увели-чить площадь среза сопла для полетов с высоки-ми скоростями на форсированных режимах, по-скольку роль потерь невелика, а сверхзвуковые створки сопла находятся на механических упорах.

Таким образом, предметом дальнейшего ис-следования выбраны:

— дозвуковые крейсерские режимы полета; — сверхзвуковой крейсерский бесфорсаж-

ный режим; — режим полета у земли в режиме ПФ с мак-

симальным скоростным напором.

Оценка эффективности трехконтурной схемы с учетом

дополнительного сопротивления входного и выходного устройств

Для исследования выбрано шесть режимов полета и работы силовой установки:

1. Н = 0, Мн = 1,224, полный форсаж;2. Н = 0, Мн = 0,7, крейсерский бесфорсаж-

ный, = 0,073;3. Н = 0,2, Мн = 0,61, крейсерский бесфорсаж-

ный, = 0,073;4. Н = 11, Мн = 0,9, крейсерский бесфорсаж-



ный, = 0,175.Для каждого из указанных режимов рабо-

ты двигателя имеются результаты расчета, полу-ченные для компоновки ТРДДФсм с базовой про-граммой управления, оптимизированной по па-раметрам двигателя без учета внешнего сопро-тивления входного и выходного устройств. Эти данные будем называть параметрами двигате-ля-прототипа. Они будут приняты за основу при сравнении достижимых эффектов улучшения эко-номичности.

Для каждого режима полета с помощью мето-да IOSO [3] решалась задача оптимизации управ-ления. Постановка задачи была следующая.

В состав варьируемых переменных входили: — угол установки ВНА КНД-1; — площадь смесителя по наружному кон-

туру; — площадь критического сечения сопла пер-

вого и второго контуров; — площадь критического сечения сопла

третьего контура.Эффективная тяга задается как параметр ре-

жима работы, по которому ограничивается по-дача топлива в основную камеру сгорания. При этом для форсированного первого режима по-лета было принято, что величина коэффициента избытка воздуха такая же, как у двигателя-прототипа.

В качестве целевой функции использовался эффективный удельный расход топлива. Накла-дывались функциональные ограничения на ми-нимальные запасы устойчивости каскадов ком-прессора, максимальные частоты вращения ро-торов и температуру газа перед турбиной.

В рамках данного исследования ставилась задача оценить изолированное влияние исполь-зования третьего контура на улучшение эконо-мичности по эффективным параметрам сило-вой установки. Поэтому для каждого режима ра-боты решалась еще одна задача, постановка ко-торой отличается от описанной выше по тексту тем, что сопло третьего контура прикрыто пол-ностью, т. е. двигатель представляет собой обыч-ный ТРДДФсм.

Результаты решения данных задач представ-лены на рисунках 5—8. Обозначение «Опт ПУ ТДИП» соответствует оптимизированному управ-лению с использованием третьего контура; «Опт ПУ ТРДДФсм» — оптимизированному управле-нию без использования третьего контура; «Про-тотип» — двигателю-прототипу, управляемому по его внутренним параметрам.

По представленным на рисунке 5 результа-там можно сделать следующие выводы.

На всех режимах полета оптимальное управ-ление третьим контуром позволило снизить эф-фективный удельный расход топлива. Макси-мально достижимый эффект указанного сниже-ния составляет 11 % для режимов полета Н = 0, Мн = 0,7 и Н = 0,2, Мн = 0,61. Для крейсерских по-летов на высоте 11 км можно снизить эффектив-ный удельный расход топлива на 7—9,5 %. На ре-жиме сверхзвукового бесфорсажного крейсер-ского полета применение третьего контура по-зволяет снизить эффективный удельный расход топлива на величину порядка 3 %. Высокий по-тенциал улучшения экономичности (до 5 %) на режиме сверхзвукового форсированного поле-та у земли говорит, скорее, о том, что указанный режим двигателя-прототипа оптимизирован под критерии, не связанные с экономичностью.

Для всех шести режимов полета и работы двигателя применение третьего контура позво-лило увеличить расход воздуха на входе в двига-тель и, соответственно, снизить аэродинамиче-ское сопротивление входного (рис. 6) и выходно-го (рис. 7) устройств.

Доля воздуха, перепускаемого после пер-вой ступени КНД в третий контур, достигает 25 % (рисунок 8).

Для вариантов оптимизированного управле-ния без использования третьего контура («Опт ПУ ТРДДФсм») также наблюдается снижение эф-фективного удельного расхода топлива силовой установки, но достижимое улучшение экономич-ности значительно меньше (не более 4 %).





Эффективный Cr (отн. прототипа)

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

1.02

Н=0, Мн=1.224,ПФ

Н=0, Мн=0.7,R_эф=0.073

Н=0.2,Мн=0.61,

R_эф=0.073

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.076

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.055

Н=15, Мн=1.6,R_эф=0.175

ПрототипОпт ПУ ТРДДФсмОпт ПУ ТДИП

Рис. 5. Оценка снижения эффективного удельного расхода топлива СУ

Сопротивление входного устройства (относительно прототипа)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Н=0, Мн=1.224,ПФ

Н=0, Мн=0.7,R_эф=0.073

Н=0.2,Мн=0.61,

R_эф=0.073

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.076

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.055

Н=15, Мн=1.6,R_эф=0.175


Рис. 6. Оценка аэродинамического сопротивления входного устройства

Сопротивление выходного устройства (относительно прототипа)

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

Н=0,Мн=1.224, ПФ

Н=0, Мн=0.7,R_эф=0.073

Н=0.2,Мн=0.61,

R_эф=0.073

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.076

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.055

Н=15, Мн=1.6,R_эф=0.175


Рис. 7. Оценка аэродинамического сопротивления выходного устройства

Степень двухконтурности по РК-1

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

Н=0, Мн=1.224,ПФ

Н=0, Мн=0.7,R_эф=0.073

Н=0.2,Мн=0.61,

R_эф=0.073

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.076

Н=11, Мн=0.9,R_эф=0.055

Н=15, Мн=1.6,R_эф=0.175


Рис. 8. Степень двухконтурности по РК-1


Проблема низкой топливной эффективности «переразмеренной» СУ многорежимного самоле-та на крейсерских режимах успешно решается за счет перепуска избыточного воздуха через третий контур. Усложнение схемы двигателя, связанное с организацией течения через независимо управ-ляемый третий контур, позволяет заметно улуч-шить согласование входного устройства, двигате-ля и выходного устройства в составе силовой уста-новки многоцелевого сверхзвукового самолета.

На дозвуковых крейсерских режимах полета можно за счет третьего контура улучшить топлив-ную экономичность на 7—11 %, а на сверхзвуко-вых бесфорсажных режимах — на 3 %. Основным фактором полезного эффекта является уменьше-ние сил внешнего сопротивления, что позволя-ет снизить потребный режим работы двигателя и расход топлива. При этом оптимальное по эф-фективному расходу топлива управление обыч-ным ТРДДФсм позволяет снизить расход топлива не более чем на 4 % по сравнению с прототипом.

Для рассмотренной схемы ТДИП реализация отбора воздуха из-за первой ступени КНД может сделать проблематичной обеспечение устойчи-вой работы КНД при закрытом третьем конту-ре. Возможными путями решения данной про-блемы являются разработка и применение меха-низма перекрытия полости переходного канала третьего контура (на входном участке) на режи-мах с нулевыми расходами воздуха через него, либо постоянный перепуск в минимальных ко-личествах (порядка 2—4 % от расхода на входе в двигатель) на всех режимах работы двигате-ля через третий контур. Предварительный рас-чет показал возможность реализации постоян-но действующего перепуска в третий контур без ухудшения параметров двигателя на форсиро-ванных режимах.

Проработка объемно-массовой компоновки дополнительных элементов, связанных с реали-зацией течения в третьем контуре, показала не-отрицательный результат (возрастание массы си-ловой установки не превышает величины массы топлива, сэкономленного за один типовой полет).

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Ronald J., Simmons M. S. The Ohio State University. Design and Control of Variable Geometry Turbofan

with an Independently Modulated Third Stream. Dissertation. Preserved in Partial Fulfillment of the Require-ments for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of the Ohio State University.

2. Нечаев Ю. Н. Теория авиационных двигателей / Ю. Н. Нечаев, Р. М. Федоров, В. Н. Котовский, А. С. Полев. — М. : ВВИА, 2007. — Ч. 2.

3. Егоров И. Н. Методы непрямой статистической оптимизации на основе самоорганизации и их использование в оптимизационных задачах авиационных ГТД / И. Н. Егоров, В. П. Тюленев, В. Ф. Пав-ленко. — ВИНИТИ № 2622-В89, 1989.





RESEARCH OF THERMODYNAMIC EFFICIENCY OF THE POWER PLANT OF THE MULTIMODE PLANE WITH INDEPENDENTLY OPERATED THIRD STREAM

Y. N. ShmotinDesigner General of JSC «NPO «Saturn», Dr. Tech. Sci. (Russia, Rybinsk), yuri.shmotin@npo‑saturn.ru

N. V. KikotHead of the Perspective Development Department of JSC «NPO «Saturn», Cand. Tech. Sci. (Russia, Rybinsk), nikolay.kikot@npo‑saturn.ru

G. V. KretininHead of the Thermodynamic Calculations Team of JSC «NPO «Saturn», Dr. Tech. Sci., Professor (Russia, Moscow), [email protected]

I. A. LeschenkoLead Design Engineer of the Thermodynamic Calculations Team of JSC «NPO «Saturn», Dr. Tech. Sci., Senior Researcher (Russia, Moscow), [email protected]

K. S. FedechkinLead Design Engineer of the Thermodynamic Calculations Team of JSC «NPO «Saturn», Cand. Tech. Sci., associate professor (Russia, Moscow), [email protected]

Abstract. The concept of modernization of a bypass engine with a low bypass ratio, which con-sists in the bypass air from the fan to the first stage of the third contour, ending independently controllable nozzle is elaborated. For the analysis of thermodynamic processes formed a nonlin-ear mathematical model of the three-stream engine. The methods of accounting external resist-ance input and output devices are developed. The flight modes where restart of air in the third stream renders the greatest positive effect are defined. Optimization of the engine adjustable elements management parameters is performed. The estimates received in the settlement way have shown that on the subsonic cruiser modes of flight application of independently operated third stream allows to improve fuel profitability on 7—11 %.Keywords: Increasing fuel efficiency, variable-cycle engine, three-stream engine, fighter aircraft powerplant, thermodynamic model.

R E F E R E N C E S1. Ronald J., Simmons M. S. The Ohio State University. Design and Control of Variable Geometry Turbofan

with an Independently Modulated Third Stream. Dissertation. Preserved in Partial Fulfillment of the Require-ments for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of the Ohio State University.

2. Nechayev Y. N. The theory of aircraft engines / Y. N. Nechayev, R. M. Fedorov, V. N. Kotovsky, A. S. Polev. — M. : VVIA, 2007. — Part 2.

3. Egorov I. N. Methods of indirect statistical optimization based on self-organization and their use in optimization problems GTE / I. N. Egorov, V. P. Tyulenev, V. F. Pavlenko. — VINITI number 2622-V89, 1989.

УДК 535.34

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СПЕКЛ-ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

П. В. ПавловСтарший преподаватель 91 кафедры Военного учебно‑научного центра военно‑воздушных сил «Военно‑воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», к. т. н. (Россия, г. Воронеж), [email protected]

А. Н. МаловПрофессор 91 кафедры Военного учебно‑научного центра военно‑воздушных сил «Военно‑воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», д. ф.‑м. н., профессор (Россия, г. Воронеж), [email protected]

А. В. НеупокоеваДоцент кафедры медицинской и биологической физики Иркутского государственного медицинского университета, к. ф.‑ м. н. (Россия, г. Иркутск), [email protected]

И. С. ЛагошныйОператор научной роты Военного учебно‑научного центра военно‑воздушных сил «Военно‑воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Ф. Н. ПоповОператор научной роты Военного учебно‑научного центра военно‑воздушных сил «Военно‑воздушная академия имени профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Рассматриваются пути реализации и применения информационно-диагностического ком-плекса неразрушающего контроля, позволяющего проводить контроль технического со-стояния узлов и агрегатов с использованием метода анализа спекл-структур оптического излучения. Разработанный оригинальный программный комплекс реализует алгоритмы обработки цифровых изображений на основе методов корреляционного анализа и мето-да «шахматной доски».Ключевые слова: автокорреляция, спекл-структура, неразрушающий контроль, диагности-ка, шероховатость, лазер.

Введение

Модернизация существующих и разработка перспективных авиационных комплексов воору-жения позволила расширить их диапазон приме-нения, что непосредственно сказалось на увели-чении нагрузок на все агрегаты воздушного судна в процессе эксплуатации. Одним из важных фак-

торов, обусловливающих высокую аварийность воздушных судов (ВС) государственной авиации РФ, является несовершенство находящихся на вооружении строевых частей устройств неразру-шающего контроля (НК).

Так, например, в основе стандартных дефек-тоскопических работ по осмотру поверхностей высоконагруженных деталей ВС лежит оптико-ви-зуальный метод НК, следовательно, от его резуль-татов будет зависеть дальнейшая безопасность полетов авиапарка ГА РФ. Основным недостат-

© Павлов П. В., Малов А. Н., Неупокоева А. В., Лагошный И. С., Попов Ф. Н., 2016





ком такого оптического метода НК является влия-ние человеческого фактора на результат контро-ля и отсутствие возможности определения глуби-ны повреждения (дефекта) детали. Таким обра-зом, возникли обстоятельства разработки новых, высокоточных устройств НК.

Наличие современной элементной базы оп-тоэлектроники — полупроводниковые лазеры, матричные фотоприемники, портативные ком-пьютеры — позволило создать мобильный спекл-лазерный дефектоскоп [1]. Принцип работы дан-ного устройства основан на использовании ме-тода спекл-структур оптического излучения (МССОИ).

Физический смысл МССОИ состоит в следую-щем. Если освещать шероховатый предмет коге-рентным пучком излучения (лазером), то изобра-жение, которое наблюдается либо глазом, либо при помощи оптической системы, имеет ярко вы-раженную зернистую структуру — спекл-карти-ну. Характер и структура спекл-картины полно-стью зависят от структуры облучаемой поверхно-сти, поэтому при образовании мельчайшего де-фекта (соизмеримого с длиной волны излучения) на контролируемой поверхности происходит из-менение структуры спекл-изображений.

В настоящее время можно выделить ряд об-ластей, где применение МССОИ имеет большие перспективы: исследование степени усталости материалов методом спекл-структур [2], иссле-дование состояния организма по биоспеклам ко-жи [3], исследование деформаций и напряжений в деталях [4].

При использовании МССОИ применяют-ся различные алгоритмы обработки цифровых спекл-изображений. В работах [5, 6] рассмотре-ны физические принципы алгоритмов и область их применения. Отсутствие специализированно-го программного комплекса, включающего в се-бя модули цифровой обработки изображений, не позволяло операторам, имеющим базовые на-выки владения ЭВМ, проводить операции по НК с применением устройств, принцип действия ко-торых основан на использовании МССОИ.

Бурное развитие микроэлектроники приве-ло к тому, что на сегодняшний момент каждый мобильный гаджет является портативным вы-числительным устройством, позволяющим про-изводить серьезные математические вычисле-ния, в том числе и выполнять операции по ци-фровой обработке изображений. Использование программного комплекса на портативных вычис-

лителях, работающих на операционных системах (ОС) Android, Mac OS, Linux, Windows Phone, тре-бует от разработчиков выбора кроссплатфор-менного языка программирования, позволяю-щего создавать ПО, совместимое с любой из рас-смотренных выше ОС. Поэтому в качестве инстру-мента был выбран язык программирования Java SE, со средой разработки Eclipse.

Таким образом, цель настоящей работы за-ключается в разработке программного ком-плекса, способного расширить возможность устройств НК, принцип действия которых осно-ван на использовании МССОИ, за счет оптими-зации алгоритмов обработки цифровых спекл-изображений, увеличения эргономики среды об-работки и выполнения комплексной оценки па-раметров контролируемых деталей по анализу параметров цифровых спекл-изображений.

Изложение построим следующим образом: в первом разделе рассмотрим математические аппараты предлагаемых для реализации мето-дов обработки цифровых спекл-изображений, во втором разделе представим результаты прак-тической реализации предлагаемых методов и приведем экспериментальные результаты ис-следования по практическому применению раз-работанного информационно-диагностического комплекса НК.

1. Методы обработки цифровых спекл-изображений

1.1 Корреляционный метод обработки спекл-изображений

Для извлечения полезной информации из спекл-изображений необходимы различные ме-тоды их цифровой обработки. Одним из таких ме-тодов является корреляционный анализ, который позволяет по ширине функции автокорреляции определить наличие дефекта на контролируемой поверхности [7].

Принцип работы корреляционного метода состоит в циклическом сдвиге исходного спекл-изображения относительно самого себя по оси координат OX или OY на шаг смещения, равный одному пикселю. При каждом таком смещении рассчитывается коэффициент автокорреляции исходного изображения и смещенного по форму-ле (1), после выполнения всех сдвигов получает-ся множество коэффициентов автокорреляции со значениями, изменяющимися от 1, что свидетель-

ствует о полном сходстве обрабатываемых изо-бражений при шаге смещения, равно нулю, и до 0, что говорит о полном различии исходного и сме-щенного изображений. На завершающем этапе работы метода строится график автокорреляци-онной функции (рис. 1) из рассчитанного множе-ства коэффициентов автокорреляции.

, (1)

где — значение яркости пикселя в точке t; значе-ние яркости пикселя в точке t, в момент смещения ;

— количество пикселей, — шаг смещения.Количество смещений соответствует размеру

спекл-изображения, ширине в случае, если про-изводится смещение вдоль оси OX, и длине в слу-чае смещения по оси OY.

Данный метод позволяет в режиме реального времени проводить анализ параметров поверх-ности деталей, изготовленных из различных ма-териалов, путем сопоставления рассчитанных ха-рактеристик с эталонными значениями, получен-ными в тот момент времени, когда поверхность детали не имела дефектов.

Рис. 1. Графики функций автокорреляции спекл-изображений

1.2 Метод «шахматной доски»Данный метод позволяет анализировать ди-

намику изменения параметров дефекта путем анализа изменения параметров шероховатости исследуемой поверхности.

Метод «шахматной доски» позволяет выявить корреляцию элементов (спекл-пятен) изображе-ния с элементами (клетками) шахматной доски. Для простой модели одномерного случая можно определить:

(2)

(3)

где — распределение яркостей пиксе-лей спекл-изображения; — распреде-ление яркостей пикселей по шахматной до-ске, , при четном ; — размер спекл-пятна; — размер клетки шахматной доски,

— прямоуголь-

ная функция.





Уравнение (4) предполагает, что изображе-ние состоит из одинаковых по размеру спекл-пя-тен (или их подавляющее большинство).

Для обработки непрерывного распределе-ния яркостей изображений, описываемых урав-нениями (2) и (3), необходимо произвести их дис-кретизацию, для этого используем гребенку Ди-рака [8], и в результате получим:

(4)

(5)

где — знак операции свертки;

— гребенка Дирака.

Для нахождения Фурье-спектра дискретных функций (4) и (5) воспользуемся прямым Фурье-преобразованием, в результате которого полу-чим:

(6)

(7)

После получения Фурье-спектров (6), (7) не-обходимо их перемножить, а затем выполнить об-ратное Фурье-преобразование, в результате ко-торого получается функция корреляции спекл-изображения к шахматной доске.

Если , то при перемножении спектров (6), (7) появляются слагаемые вида , обратное преобразование Фурье которых равно

, что является треугольной функцией

Переходя от одномерного случая к двумер-ному видим, что результатом будет структура ти-па пирамиды в пределах одной клетки шахмат-ной доски. При наличии достаточно большого количества спекл-пятен примерно одинакового размера будет возникать структура шахматной доски с элементами в виде таких пирамид (рис. 2).

Если или , то при перемноже-нии спектров (6), (7) структура шахматной доски будет неравномерной и начнет съезжаться в це-почку, что свидетельствует об изменении разме-

ров спеклов, а значит — и об изменении величи-ны степени шероховатости поверхности в боль-шую или меньшую сторону относительно разме-ра клеток шахматной доски.

Рис. 2. Результирующее изображение со структурой в виде шахматной доски

2. Пример работы информационно-диагностического

комплекса неразрушающего контроля

2.1 Пример работы программного модуля корреляционной

обработки спекл-изображенийРазработанный программный комплекс по-

зволяет производить контроль технического со-стояния поверхностей, изготовленных из различ-ных материалов.

Для демонстрации работы комплекса был вы-бран фонарь кабины самолета МиГ-31, на его по-верхности были обнаружены микротрещины, ко-торые и стали объектами для исследований. Диа-гностика остекления фонаря кабины самоле-та производится в несколько этапов. На первом этапе проводится визуальный осмотр всего фо-наря кабины самолета, и обнаруживаются очаги образования микротрещин («серебро») (рис. 3а). На следующем этапе проводится сканирование обнаруженных очагов образования микротре-щин с помощью лазерного спекл-дефектоскопа (рис. 3б).

После завершения сканирования получен-ные спекл-изображения передаются в разрабо-танный программный комплекс, в котором про-изводится их обработка и автоматически дела-ется вывод о наличии дефекта на исследуемой поверхности, с использованием автокорреляци-онного метода обработки спекл-изображений.

а б

Рис. 3. Работа модуля корреляционной обработки спекл-изобразений:

а — фрагмент элемента остекления боевого воздушного судна с цепочкой повреждений типа «серебро»; б — практическое применение аппаратно-программного комплекса НК (в конусе размещаются освещающий полупроводниковый лазер и фо-

топриемная матрица)

Во время эксперимента были получены не-сколько спекл-изображений с поверхности фона-

ря самолета МиГ-31 без дефектов (рис. 4 а) и с на-личием микротрещин (рис. 4 б).

а б

Рис. 4. Спекл-изображения поверхности фонаря самолета МиГ-31:

а — без дефектов; б — при наличии микротрещин («серебро»)

Методом автокорреляционного анализа бы-ли получены результаты, отображенные в та-блице 1.

Из результатов видно, что интервал функции автокорреляции изображения с наличием ми-кротрещин значительно уменьшился по сравне-

нию с изображением без дефектов, что наглядно видно на графике автокорреляционной функции (рис. 5).

На основе полученных данных программа ав-томатически делает вывод о наличии или отсут-ствии на поверхности микротрещин.

Т а б л и ц а 1 Рассчитанные характеристики экспериментальных спекл‑изображений

Имя изображения Интервал автокорреляции Ширина энергетического спектраБез дефекта 51,497 1,233С дефектом 15,617 2,214





Рис. 5. График функций автокорреляций регистрируемых спекл-изображений

2.2 Пример работы модуля обработки спекл-изображений методом «шахматной доски»

Применение метода «шахматной доски» при обработке спекл-изображений в большей ме-ре сводится к отслеживанию изменения параме-тров дефекта во время эксплуатации воздушного судна, поэтому для демонстрации работы метода был смоделирован жизненный цикл детали — от ее эталонных значений параметров шероховато-сти, до появления микротрещин на ее поверхно-сти. Были сформированы соответственно спекл-изображения с разрешением 512 × 512 пикселей (табл. 2, верхний ряд) путем зондирования кон-тролируемого участка детали когерентным излу-чением с длиной волны 650 нм, через 5, 10, 15, 30 и 45 тысяч циклов на кручение и изгиб, при этом параметры шероховатости поверхности меня-лись от 0,1 мкм до 1,3 мкм (табл. 2, средний ряд).

Для анализа изменения параметров шерохо-ватости поверхности детали с увеличением ко-личества циклов испытаний — N, регистрируе-мые спекл-картины обрабатывались методом «шахматной доски». Для начала работы метода была найдена четкая регулярная структура ти-па «шахматная доска» для эталонного изображе-ния, путем наложения на данное изображение шахматных досок различных размеров от 5 × 5

до 100 × 100 пикселей с шагом 5 пикселей, пока не получится наиболее четко выраженная струк-тура типа «шахматная доска», а затем с таким же размером шахматной доски были проанализи-рованы и остальные спекл-изображения. Далее был рассчитан коэффициент корреляции эталон-ного изображения с каждым из анализируемых и представлен в таблице 2 в нижнем ряду вместе с полученными изображениями со структурой ти-па «шахматная доска».

По результатам испытания программного модуля установлено, что с увеличением количе-ства циклов испытаний величина высотного па-раметра шероховатости Ra возрастает, и это ве-дет к нарушению регулярной структуры типа «шахматная доска» (начинает съезжать в цепоч-ку), что, в свою очередь, ведет к уменьшению ко-эффициента корреляции с 1 до 0,5. При этом на поверхности детали начинают наблюдаться ми-кротрещины, которые через 15 тыс. циклов рабо-ты приводят к образованию трещины, и в резуль-тате происходит полное разрушение структуры типа «шахматная доска».

График зависимости коэффициента корреля-ции результирующей структуры типа «шахматная доска» от эталонного до значения, при котором возникает разрушение структуры контролируе-мого образца, представлен на рисунке 6.

Т а б л и ц а 2 Результаты эксперимента: верхний ряд — смоделированные спекл‑изображения,

средний ряд — обработанные методом «шахматной доски», нижний ряд — коэффициент корреляции эталонного изображения с исследуемыми

Рис. 6. Результаты эксперимента


Таким образом, внедрение разработанно-го информационно-диагностического комплек-са позволит проводить дефектоскопический кон-троль узлов и агрегатов воздушного судна по ана-лизу параметров цифровых спекл-изображений с использованием базы данных эталонных зна-чений повреждений, а также отслеживать дина-мику изменения параметров дефектов и опреде-

лять остаточный ресурс силовых элементов кон-струкции в процессе эксплуатации воздушного судна. Преимуществом данного комплекса явля-ется его мобильность, возможность производить технический контроль инженерно-техническим составом, имеющим базовые навыки владения компьютером, отсутствие влияния человеческо-го фактора на конечный результат контроля, что позволит уменьшить ошибку при диагностике си-ловых элементов конструкции воздушного судна.





Л И Т Е Р А Т У Р А1. Павлов П. В. Аппаратно-программный комплекс неразрушающего контроля / П. В. Павлов,

А. Е. Горюнов // Труды МАИ. — 2015. — Вып. 80.2. Владимиров А. П. Исследование процессов зарождения усталостной трещины по измене-

нию рельефа поверхности образца и ее спекловых изображений / А. П. Владимиров, И. С. Каманцев, А. В. Ищенко, В. Е. Веселова, Э. С. Горкунов, С. В. Гладковский, С. М. Задворкин // Деформация и разру-шение материалов. — 2015. — Вып. 1. — С. 21—26.

3. Тучин В. В. Лазерная диагностика в биологии и медицине / В. В. Тучин. — М. : Наука, 1989. — 237 с.4. Джоунс Р. Голографическая и спекл-интерферометрия / Р. Джоунс, К. Уайкс. — М. : Мир, 1986. —

328 с.5. Павлов П. В. Новый подход в определении параметров поверхностей деталей с использовани-

ем метода спекл-структур и вихревых лазерных пучков / П. В. Павлов, И. Э. Вольф, А. Н. Малов, Н. В. Пе-тров // Насосы. Турбины. Системы. — 2013. — № 3. — С. 62—70.

6. Малов А. Н. Метод «шахматной доски» для анализа спекл-изображений / А. Н. Малов, А. В. Не-упокоева // Сборник трудов 10-й Международной конференции «ГОЛОЭКСПО-2013», 17—18 сентября 2013 года. — М., 2013. — С. 20—27.

7. Павлов П. В. Определение параметров шероховатости и дефектация поверхностей деталей воздушного судна с применением спиральных пучков лазерного излучения / П. В. Павлов, Н. В. Пе-тров, А. Н. Малов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2011. — № 6 (76). — С. 84—88.

8. Гудмен Дж. Статистическая оптика / Дж. Гудмен. — М. : Мир, 1988. — 528 с.

THE METHOD AND THE DEVICE OF THE SPECKLE-OPTICAL MONITORING OF THE POWER ELEMENTS TECHNICAL STATUS OF MECHANICAL ENGINEERING CONSTRACTION

P. V. PavlovLecturer of the electrical (and opto‑electronic system) Department № 91 of Engineering Training and Research Air Force Center «Air Force Academy named after professor N. E. Zhukuvsky and Y. A. Gagarin», Cand. Tech. Sci (Russia, Voronezh), [email protected]

A. N. MalovProfessor of the electrical (and opto‑electronic system) Department № 91 of Engineering Training and Research Air Force Center «Air Force Academy named after professor N. E. Zhukuvsky and Y. A. Gagarin», Dr. Phys.‑Math. Sci., professor (Russia, Voronezh), [email protected]

A. V. NeupokoevaDocent of Department medical&biological physics of Irkutsk State Medical University, Cand. Phys.‑Math. Sci. (Russia, Irkutsk), [email protected]

I. S. LagoshnyScientific company operator of Engineering Training and Research Air Force Center «Air Force Academy named after professor N. E. Zhukuvsky and Y. A. Gagarin» (Russia, Voronezh), [email protected]

F. N. PopovScientific company operator of Engineering Training and Research Air Force Center «Air Force Academy named after professor N. E. Zhukuvsky and Y. A. Gagarin» (Russia, Voronezh), [email protected]

Annotation. The information-diagnostic complex for nondestructive testing and its application to control technical condition of components and assemblies using the optical radiation speckle

patterns method. Developed by the original software package implements the digital image pro-cessing algorithms based on correlation analysis method and the «chessboard» method.Keywords: autocorrelation, speckle structure, non-destructive testing, diagnosis, roughness, laser.

R E F E R E N C E S1. Pavlov P. V. Hardware-software complex of nondestructive testing / P. V. Pavlov, A. E. Gorunov // Pro-

ceedings of the MAI. — 2015. — Issue 80. — 21 p.2. Vladimirov A. P. Investigation of origin of the fatigue crack to change the topography of the sample

surface and its speckle images / A. P. Vladimirov, I. S. Kamantsev, A. V. Ishchenko, V. E. Veselova, E. S. Gorku-nov, S. V. Gladkovsky, S. M. Zadvorkin // Deformation and fracture of materials. — 2015. — Issue 1. — P. 21—26.

3. Tuchin V. V. Laser diagnostics in biology and medicine / V. V. Tuchin. — M. : Nauka, 1989. — 237 p.4. Jones R. Holographic and Speckle Interferometry / R. Jones, C. Wykes. — М. : Mir, 1986. — 328 p.5. Pavlov P. V. A new approach to the determination of parameters of surface parts using speckle meth-

od and eddy laser beams / P. V. Pavlov, I. E. Wolf, A. N. Malov, N. V. Petrov // Pumps. Turbines. Systems. — 2013. — № 3. — P. 62—70.

6. Malov A. N. The method of «chessboard» for the analysis of the speckle images / A. N. Malov, A. V. Ne-upokoeva // Proceedings of the 10th International Conference «Holography EXPO-2013». 17—18 September 2013. — M., 2013. — P. 20—27.

7. Pavlov P. V. Determination of roughness parameters and fault detection surfaces of the parts of the aircraft with the use of spiral beams of laser radiation / P. V. Pavlov, N. V. Petrov, A. N. Malov // Scientific and technical Gazette Information Technologies, Mechanics and Optics. — 2011. — № 6 (76). — P. 84—88.

8. Goodman J. W. Statistical Optics / J. W. Goodman. — М. : Mir, 1988. — 528 p.





Осуществляет обучение студентов в соответствии с программой бакалав-риата (полный курс обучения) для профиля подготовки «131000 Нефтегазовое дело» по направ-лению «Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продук-тов переработки». Объектами профессиональной деятельности выпускников являются: системы транспорта углеводородов, магистральные и промысловые трубопроводы, насосные и компрес-сорные станции, газохранилища, нефтебазы и т. д. На кафедре осуществляется подготовка спе-циалистов высшей квалификации в аспирантуре по специальностям: «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты» и «Теплофизика и теоретическая теплотехника». С 2014 года осуществля-ются набор и обучение по программе прикладного бакалавриата 21.03.01 «Нефтегазовое дело».







УДК 62-843.8

ЗАРЯДОВЫЙ КАНАЛ УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯМИ МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕД КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ АВИАЦИИ

А. В. ПинчукДиректор научно‑технического центра «Протей» (Россия, г. Санкт‑Петербург), [email protected]

В. А. ПинчукПрофессор кафедры «Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова», д. т. н. (Россия, г. Санкт‑Петербург), [email protected]

И. В. ТаракановскийАспирант кафедры «Двигатели и энергетические установки летательных аппаратов» ФГБОУ ВПО «Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова» (Россия, г. Санкт‑Петербург), [email protected]

Обосновывается целесообразность и результативность включения зарядового канала управления состояниями материальных сред в цикл рабочего процесса газотурбинных двигателей малой авиации для улучшения их технико-экономических показателей и об-щей эффективности.Ключевые слова: зарядовый канал управления состояниями материальных сред, авиаци-онный двигатель, малая авиация.

Введение

Нельзя не признать, что большая часть тер-ритории России лишена развитой дорожной ин-фраструктуры (Сибирь, Дальний Восток и т. д.). В таких регионах авиация — зачастую основное транспортное средство. Однако вследствие то-го, что в северных районах страны отпускная це-на тонны авиатоплива (с учетом сезонного завоза и пр.) доходит до шоковой [1], высокая стоимость транспортных перевозок в этих регионах тормо-зит освоение «сырьевой кладовой» России, сни-жает деловую активность населения [2].

Сложившаяся ситуация указывает, таким об-разом, что повышение экономичности самоле-тов и/или вертолетов теми или иными способами могло бы не только способствовать возрождению российской региональной авиации и освоению северных территорий России, но и привнести ощутимый коммерческий эффект.

Именно с учетом и этой ситуации в Рос-сии в начале 90-х годов прошлого века был со-

здан, прошел начальный этап испытаний и со-вершил демонстрационный полет на авиасало-не «МАКС-95» первый в мире опытно-промыш-ленный образец газолета-вертолета Ми-8ТГ [2], оснащенный опытным двигателем «ТВ2-117ТГ» с топливорегулирующей аппаратурой для рабо-ты на сжиженном пропанбутановом газе и газо-вых конденсатах, бензине, керосине, дизельном топливе (летнем, зимнем и их смесях в любых пропорциях), предназначенный в первую оче-редь для эксплуатации в труднодоступных рай-онах с экстремальными климатическими усло-виями — в Сибири, Арктике и даже Антарктике. Однако, несмотря на очевидные достоинства по-литопливного ГТД «ТВ2-117ТГ», работа над проек-том и внедрение газолета Ми-8ТГ в практику экс-плуатации так и не получили, к сожалению, долж-ного завершения.

На обоснование реальных перспектив и об-щей целесообразности продолжения работ для изыскания дополнительных возможностей по-вышения эффективности двигателя «ТВ2-117ТГ», а следовательно, и газолета Ми-8ТГ в целом, и на-правлена, по существу, настоящая работа. Статья

базируется на работах авторов [4—15] и в этой связи представляет собой их продолжение и дальнейшее логическое развитие.

Формирование подхода

При формировании подхода к решению сформулированной таким образом задачи обра-щалось внимание, в первую очередь, на выяв-ленные [7—15] неизвестные ранее особенности условий внутреннего энергетического равнове-сия (УВЭР — между различными по физической природе энергетическими состояниями) среды в составе материальных образований с избыточ-ным (нескомпенсированным) электрическим за-рядом (аквазинейтральных или АК-образований), представляемых, например, в форме (1)

. (1)

В (1): — энергия активации рассматри-ваемой реакции; — относительное содержа-ние нескомпенсированной электронной компо-ненты; — электростатический потенциал про-странства.

От традиционно учитываемых вплоть до на-стоящего времени условий УВЭР в форме (1) отли-чаются наличием в показателе экспоненты допол-нительного члена и указывают на существо-вание неизвестного ранее канала управления состояниями материальных сред, роль фактора управления в котором играет электрический за-ряд — «зарядового».

Применительно к среде в составе АК-образо-ваний, таким образом, температура как тради-ционно оцениваемый параметр непосредствен-но определяет равновесные заселенности (сте-пени возбуждения) лишь механической природы энергетических состояний (поступательных, ко-лебательных, вращательных).

Если, согласно (1), ввести в рассмотрение — температуру возбуждения химических

связей и электронных энергетических состояний уровня АК-среды, то ее соотношение с — температурой возбуждения «механических» (по-ступательных, колебательных, вращательных) энергетических состояний среды (условно посту-пательной) определится выражением (2)

, (2)

а отвечающая УВЭР функция распределения засе-ленностей химических связей и электронных энер-гетических состояний — зависимостью

(3)

Обратим внимание, что с учетом неизбежно-сти изменений во времени при релаксации среды к УВЭР в составе АК-образований в прямом и обратном направлениях функция может претерпевать разрыв типа или

( [14]), указывая, таким образом, что зарядовые воздействия на среду в связи с вводом / выводом в ее состав / из ее со-става избыточного заряда способны приводить (прежде всего в характерных для разрыва функ-ции условиях) к развитию неустойчиво-стей ее атомно-молекулярной структуры, сопро-вождающихся в том числе нарушениями химиче-ских связей в составе среды, потерями устойчиво-сти электронов на орбитах, сходами электронов с орбит и даже поглощениями их ядрами с обра-зованием нейтронов (аналог k- или e-захвата), то есть весьма сложным комплексом явлений, не ис-ключающих возникновения в АК-среде и энерго-продуцирующих реакций внутриядерного проис-хождения.

Выдвинутое, таким образом, предположе-ние о возможностях возбуждать зарядовыми воз-действиями в составе различных материальных сред в том числе и энергопродуцирующие реак-ции внутриядерного происхождения получило в дальнейшем надежное экспериментальное под-тверждение [7—15].

Более того, результатами эксперимента обос-нована возможность возбуждать зарядовыми воздействиями процессы переработки сложных по составу углеводородсодержащих сред, в том числе и в условиях, приемлемых для реализа-ции в составе тепловых двигателей. На рисунке 1 представлены масс-спектрограммы, иллюстри-рующие переработку метана, реализуемую, таким образом, при нормальных температуре и давле-нии, в потоке, без использования каких-либо ка-тализаторов и с меньшими (!) удельными энер-гетическими затратами на возбуждение и под-держание во времени процесса переработки по отношению к оцениваемым, исходя из характери-стик его эндотермичности ( ) [13].

Обоснованию ожидаемой результативности переработки топлива на предваряющей его ввод в камеру стадии для повышения энергосодержа- © Пинчук А. В., Пинчук В. А., Таракановский И. В., 2016





ния топлива и общей эффективности двигателя «ТВ2-117ТГ» и посвящено содержание настоящей работы.

Особенности энергообеспечения переработки

С учетом обосновываемой эксперименталь-но возможности возбуждения и последующе-го поддержания во времени (непрерывного вос-

производства) процесса переработки сред раз-личного состава зарядовыми воздействиями на среду с меньшими по отношению к оценивае-мым, исходя из эндотермичности процесса пере-работки, затратами энергии на их формирование ( ) [13], рассматривалось, что первичное энергетическое воздействие для возбуждения и воспроизводства во времени процесса перера-ботки возможно формировать за счет отбора ча-сти энергии, вырабатываемой турбиной вертоле-та (см. рис. 2).

(а) (initial composition) (б) (processed composition)

Рис. 1. Масс-спектрограммы «pure CH4» [13]:

а — исходный состав; б — переработанный состав

Рис. 2. Схема энергообеспечения переработки (условно )

При этом принималось во внимание, что с учетом УВЭР недостающая ( ), необходимая для обеспечения процесса энергия с учетом эн-дотермичности переработки среды может воссо-здаваться (вырабатываться) в этом случае прежде всего источниками внутриядерного происхожде-ния, возбуждаемыми в составе собственно пере-рабатываемой среды непосредственно в процес-се ее переработки, обеспечивая, таким образом, повышение энергосодержания.

Отметим, что принципиальная реализуемость принятой к рассмотрению схемы энергообеспе-чения переработки составов топливных сред со-гласно рисунке 2 не вызывает сомнений. Она в полной мере отвечает особенностям УВЭР и убе-дительно подтверждена экспериментами [7—15].

Однако результативность реализации, а сле-довательно, и целесообразность переработ-ки топлива ГТД типа «ТВ2-117» непосредственно в цикле рабочего процесса двигателя и, особен-

но, в предположении о допустимости варьиро-вания относительного вклада затрат энергии на возбуждение процесса в диапазоне до сих пор не исследовались, что и определило це-левую направленность работы.

Общие условия рассмотрения

Предполагалось, что учитываемые при рас-смотрении выходная мощность на валу двигате-ля, удельные затраты мощности на компримиро-вание воздуха и его энтальпия на входе в КС со-ответствуют показателям двигателя «ТВ2-117ТГ» и сохраняются неизменными вне зависимости от «х» — степени переработки (конверсии) топлива.

Учитывались топливная «всеядность» дви-гателя и одновременно факт, что авиационное сконденсированное топливо АСКТ — штатное го-рючее «ТВ2-117ТГ» — это сложное углеводород-ное соединение, и определение его условной формулы по меньшей мере затруднительно [16].

Оценка результативности повышения техни-ко-экономических и экологических показателей ГТД путем переработки (конверсии) горючего на предваряющей его ввод в камеру стадии прово-дилась с учетом этого, применительно к случаю

использования в качестве горючего топливных смесей ТС-1

(4)

и ТС-2

(5)

соответственно.

Оценка параметрического обеспечения режима

Массовые соотношения топливных компо-нентов , соответствующие температуре ПС на входе в турбину, оценивались результатами термодинамического анализа с уче-том того, что предваряющая ввод топлива в каме-ру сгорания ГТД переработка горючего обеспечи-вает повышение его удельного энергосодержа-ния на входе в КС ГТД по отношению к стандарт-ным условиям [17] на величину

(6)

Результаты оценки как функции степени конверсии (переработки) горю-чего представлены графиками (см. рис. 3).

74

78

82

86

90

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Х74

78

82

86

90

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Х

(а) (б)

Рис. 3. Зависимость :

а — для ТС-1; б — для ТС-2

Здесь и далее сплошной линией отмечает-ся уровень параметра, соответствующий вариан-ту использования в качестве горючего базового компонента ( или ).

Аналогичным образом оценивалась и адиа-батическая работа продуктов сгорания (рабоче-го тела) на входе в турбину (рис. 4):

(7)

Здесь: — показатель адиабаты; — газо-вая постоянная, Дж/(кг*К); — температура ПС на входе в турбину, К; — относительный пере-пад давления на компрессоре.





(а) (б)


а — для ТС-1; б — для ТС-2

В (7) и далее знаком (*) отмечаются параме-тры, которые в рамках учитываемых ограничений не изменяются.

Заслуживает внимания, что с ростом степе-ни конверсии горючего величина также увеличивается. Характер же изменения

носит противоположный характер, обу словливаемый в данном случае снижением с ростом газовой постоянной ПС.

Условия энергетического баланса и расходные характеристики ГТД

Исходя из условия, что для данного ГТД це-левой параметр — это механическая энергия на валу турбины (энергия которого передается на винт), с учетом схемы энергообеспечения процес-са переработки согласно схеме (рис. 2) и при отне-

сении прочих свойственных ГТД потерь энергии к удельным затратам энергии на компримирование, уравнение энергетическо-го баланса представлялось выражением

(8)

Отвечающий условиям энергетического ба-ланса суммарный расход рабочего тела турбины (см. рис. 5), таким образом, оценивался как

(9)

(а) (б)


а — ТС-1; б — ТС-2

Потребный расход ТС составов согласно (4) и (5), учитываемых в качестве горючего, опреде-лялся выражением

(10)

и представлен графиками (см. рис. 6).Рассматривая расход топливной смеси как

определяющий топливную экономичность двига-теля, обратим внимание, в первую очередь, на за-

висимость (рис. 6). С ее уче-том возможно утверждать, что включение заря-дового канала управления состояниями матери-альных сред в цикл рабочего процесса ГТД для переработки состава горючего на стадии, пред-варяющей ввод топлива в камеру сгорания, дей-ствительно способствует повышению экономич-ности двигателя и повышению, таким образом, как характеристик эффективности ГТД, так и осна-щаемого двигателем летательного аппарата.

(а) (б)


а — ТС-1, б — ТС-2

При этом обнаруживается, что основную роль в повышении эффективности ГТД играет степень конверсии горючего «х», обеспечиваемая его пе-реработкой, возбуждаемой, в свою очередь, за-рядовыми воздействиями, формируемыми отбо-ром энергии с вала после турбины (см. схему на рис. 2 и зависимость (8)).

При этом обнаруживается, что отбор энергии

за турбиной для формирова-

ния зарядовых воздействий на горючее и возбу-ждения таким образом процесса его переработки (см. схему на рис. 2) при всех значениях параме-тра из учитываемого при рассмотрении диапа-зона его значений вносит лишь незначительный вклад в оцениваемые выражениями (9), (10) уров-ни расходов топливных сред (рис. 5, 6).

Иными словами, результатами исследова-ний обосновывается, что использование зарядо-вого канала управления состояниями материаль-ных сред в цикле рабочего процесса ГТД для воз-буждения процесса переработки топливных сред на предваряющей ввод топлива в камеру сгора-ния стадии представляется целесообразным да-

же без учета, по существу, сопровождающего процесс переработки дополнительного обога-щения среды энергией внутриядерного происхо-ждения (в полной мере отвечающего особенно-стям УВЭР и многократно подтвержденного экс-периментом [7—15]). К сожалению, и даже это не исключает необходимость проведения дополни-тельных работ, предваряющих внедрение в прак-тику метода.

Действительно, реализуемость переработ-ки с использованием «зарядового канала» и обо-гащение широкой номенклатуры материальных сред энергией внутриядерного происхождения в достаточной мере к настоящему времени об-основаны теоретически и подтверждены лабо-раторным экспериментом [5—15]. Тем не менее конкретный характер требуемых конструктивных и технологических обеспечений переработки не-посредственно в рамках рабочего процесса ГТД повышения энергетической эффективности дви-гателей, как и конкретно достижимый таким об-разом результат, несомненно, требуют дополни-тельных уточнений и могут быть реализованы лишь на базе необходимых целенаправленных исследований.






Результатами исследований подтверждена принципиальная возможность дополнительного улучшения характеристик двигателя «ТВ2-117ТГ» за счет повышения энергосодержания горючего в процессе возбуждаемой зарядовыми воздей-ствиями переработки его состава на предваряю-щей ввод топлива в камеру сгорания стадии.

С учетом отсутствия значимых различий ме-жду уровнями рабочих параметров (мощность на

валу турбины, температура продуктов сгорания (ПС) на входе в турбину и др.) двигателей «ТВ2-117» представляется допустимым общие резуль-таты оценки эффективности использования заря-дового канала управления состояниями матери-альных сред для возбуждения зарядовыми воз-действиями на предваряющей ввод горючего в камеру сгорания стадии процесса его перера-ботки на основе показателей «ТВ2-117ТГ» распро-странить и на ГТД «ТВ2-117», а возможно, и ГТД средств малой авиации в целом.

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Самохин А. Газолет: приоритет, который мы упускаем / А. Самохин // Нефтегазовая вертикаль. —

2011. — № 2. — С. 38—42.2. Зайцев В. П. Российская инновация. Газолет / В. П. Зайцев // Компетентность. — 2011. — № 1

(82). — С. 16—22.3. ТВ2-117ТГ [Электронный ресурс] : [веб-сайт ОАО «Климов»]. — Режим доступа: http://klimov.ru/

production/helicopter/TV2-117/ (дата обращения: 15.05.2016).4. Таракановский И. В. Синтез-газ как альтернативное горючее в составе топлива газовых турбин /

И. В. Таракановский, В. А. Пинчук, А. В. Пинчук // Вестник КГТУ им. А. Н. Туполева. — 2012. — № 4. — Вып. 1. — С. 68—77.

5. Таракановский И. В. Ресурсы повышения технико-экономических и экологических показате-лей газотурбинных двигателей различного назначения / И. В. Таракановский, В. А. Пинчук, А. В. Пин-чук // Национальный конгресс по энергетике 2014 (8—12 сентября 2014 г.) : сб. докладов Националь-ного конгресса по энергетике : в 5 т. — Казань : КГЭУ, 2014. — Т. 1. — С. 167—170.

6. Таракановский И. В. Ресурсы повышения технико-экономических показателей газотурбинной техники / И. В. Таракановский, В. А. Пинчук, А. В. Пинчук // Насосы. Турбины. Системы. — 2015. — № 1 (14). — С. 40—54.

7. Pinchuk V. A. Once more about anomalies physics / V. A. Pinchuk // Jerzy Moscinski, Marcin Maciazek (ed). Gliwice. Poland 2005. Proceedings of Int. Conf. On Engineering Education, vol 2. Silesian University of Technology. — Gliwice. Poland, 2005. — P. 800—814.

8. Пинчук А. В. Зарядовый канал возбуждения реакций при горении / А. В. Пинчук, В. А. Пинчук // Го-рение и плазмохимия. — 2007. — Т. 4. — № 4. — С. 307—319.

9. Pinchuk A. V. The Formations with Surplus Charge: Nature and Influence upon Burning Process Stabil-ity / A. V. Pinchuk, V. A. Pinchuk // 6th Int. Seminar on Flame Structure. Book of Abstracts. Brussels. Belgium, 2008. — P. 60.

10. Пинчук А. В. Концепция мутации составов материальных сред как процесс, возбуждаемый за-рядовыми воздействиями / А. В. Пинчук, В. А. Пинчук // РАН. Труды Академэнерго. — 2008. — № 2. — С. 101—113.

11. Пинчук А. В. Условия внутреннего энергетического равновесия как объект экспериментальных исследований / А. В. Пинчук // Четвертые Уткинские чтения : материалы Междунар. науч.-техн. конф. (Санкт-Петербург, 21—22 мая 2009 г.). — СПб. : БГТУ, 2009. — Т. 2. — С. 6—9.

12. Pinchuk А. V. Physics Base & Conceptual Views Complex of Ball Lightning / А. V. Pinchuk, V. A. Pin-chuk // Journal of Modern Physics (JMP). — 2010. — Vol. 1. — № 4. — P. 251—275.

13. Пинчук А. В. Эксплуатационные характеристики тепловых энергопреобразователей: ресур-сы обеспечения / А. В. Пинчук, В. А. Пинчук // Проблемы и перспективы развития авиации, наземно-го транспорта и энергетики — АНТЭ—2009 : материалы пленарного заседания V Всерос. науч.-техн. конф. (12—13 октября 2009 г.). — Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2009. — С. 65—85.

14. Пинчук А. В. Шаровая молния: физические основы, концепция представлений / А. В. Пинчук, В. А. Пинчук. — СПб. : БГТУ, 2011. — 98 с.

15. Пинчук В. А. Физика реальных процессов с аномальными проявлениями: введение в пробле-му / В. А. Пинчук, А. В. Пинчук. — СПб. : БГТУ, 2016. — 165 с.

16. Авиационное сконденсированное топливо [Электронный ресурс] : пат. Российской Федерации № 2044032, класс C10L1/04. — Режим доступа: http://ru-patent.info/20/40—44/2044032.html (дата обра-щения: 30.05.2015).

17. Штехер М. С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей / М. С. Штехер. — М. : Машинострое-ние, 1976. — С. 34.

CONTROL CHARGE CHANNEL OF MATERIAL ENVIRONMENTS CONDITIONS AS FACTOR OF INCREASING EFFICIENCY OF LIGHT AIRCRAFT ENGINES

A. V. PinchukDirector of the Scientific Technical Center «Protei» (Russia, Saint‑Petersburg), [email protected]

V. A. PinchukProfessor of the «Engines and Power Plants of Aircraft Department of «Baltic State Technical University «VOENMEKH» named after D. F. Ustinov, Dr. Tech. Sci. (Russia, Saint‑Petersburg), [email protected]

I. V. TarakanovskiyPostgraduate student of «Engines and Power Plants of Aircraft» Department of «Baltic State Technical University «VOENMEKH» named after D. F. Ustinov (Russia, Saint‑Petersburg), [email protected]

Abstract: The feasibility and effectiveness of the inclusion of control charge channel of material environments conditions into the of light aircraft gas-turbine engines workflow cycle to improve their technical and economic performance and overall efficiency.Keywords: control charge channel of material environments conditions, aircraft engine, light air-craft.

R E F E R E N C E S1. Samokhin A. Gas-aircraft: the priority that we are missing / A. Samokhin // Oil and Gas Vertical. —

2011. — № 2. — P. 38—42.2. Zaitsev V. P. Russian innovation. Gas-aircraft / V. P. Zaitsev // Competence. — 2011. — № 1 (82). —

P. 16—22.3. TV2-117TG [Electronic resource] : [website of JSC «Klimov»]. — Mode of access: http://klimov.ru/pro-

duction/helicopter/TV2-117/ (accessed: 05.15.2016).4. Tarakanovskiy I. V. Gas synthesis as an alternative fuel in the fuel gas turbines / I. V. Tarakanovskiy,

V. A. Pinchuk, A. V. Pinchuk // Herald of KSTU named after A. N. Tupolev. — 2012. — № 4. —Issue 1. — P. 68—77.

5. Tarakanovskiy I. V. Resources to increase technical, economic and environmental performance of gas turbine engines for different purposes / I. V. Tarakanovskiy, V. A. Pinchuk, A. V. Pinchuk // Collection of re-ports of the National Energy Congress in 5 volumes, «National Energy Congress 2014» (September 8—12), 2014. — Kazan : KSPEU, 2014. — Vol. 1. — P. 167—170.

6. Tarakanovskiy I. V. Resources to rise efficiency of gas-turbain technics / I. V. Tarakanovskiy, V. A. Pin-chuk, A. V. Pinchuk // Pumps. Turbines. Systems. — 2015. — № 1 (14). — P. 40—54.

7. Pinchuk V. A. Once more about anomalies physics / V. A. Pinchuk // In: Jerzy Moscinski, Marcin Maci-azek (ed). Gliwice. Poland 2005. Proceedings of Int. Conf. On Engineering Education, vol 2. Silesian Universi-ty of Technology. — Gliwice. Poland, 2005. — P. 800—814.

8. Pinchuk A. V. Charge channel of combustion excitation reaction / A. V. Pinchuk, V. A. Pinchuk // Com-bustion and plasma chemistry. — 2007. — Vol. 4. — № 4. — P. 307—319.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ НАСОСОВ, ТУРБИН, ГИДРОМАШИН, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТОВ И ЭНЕРГОСИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

Operation processes mathematical modeling and development of contemporary pumps, turbines, hydromachines, hydraulic pneumatic units and based on power systems



Насосы. Турбины. Системы. №2(19)/2016 • Pumps. Turbines. Systems. No.2(19)/201666

9. Pinchuk A. V. The Formations with Surplus Charge: Nature and Influence upon Burning Process Stabil-ity / A. V. Pinchuk, V. A. Pinchuk // 6th Int. Seminar on Flame Structure. Book of Abstracts. Brussels. Belgium, 2008. — P. 60.

10. Pinchuk A. V. The concept of mutation compositions of material environment as a process driv-en by charge effects / A. V. Pinchuk, V. A. Pinchuk // RAS. Proceedings Academenergo. — 2008. — № 2. — P. 101—113.

11. Pinchuk A. V. Terms of the internal energy balance as the object of experimental studies / A. V. Pin-chuk // Proceedings of the International scientific conference «The fourth Utkinskii read» (St. Petersburg, 21—22 May 2009). — SPb. : BSTU, 2009. — Vol. 2. — P. 6—9.

12. Pinchuk A. V. Physics Base & Conceptual Views Complex of Ball Lightning / A. V. Pinchuk, V. A. Pin-chuk // Journal of Modern Physics (JMP). — 2010. — Vol. 1. — № 4. — P. 251—275.

13. Pinchuk A. V. The performance of the thermal energy converters: providing resources / A. V. Pinchuk, V. A. Pinchuk // Materials of V All-Russian plenary session Scientific and Technical. Conf. «Problems and pros-pects of development of aviation, land transport and energy — ANTE-2009» (October 12—13, 2009). — Ka-zan : Publishing House of KSTU, 2009. — P. 65—85.

14. Pinchuk A. V. Thunderball: Physical fundamentals, concept ideas / A. V. Pinchuk, V. A. Pinchuk. — SPb. : Baltic State Technical University, 2011. — 98 p.

15. Pinchuk V. A. The physics of the real processes with abnormal manifestations: introduction to the problem / V. A. Pinchuk, A. V. Pinchuk. — SPb. : Baltic State Technical University, 2016. — 165 p.

16. Aviation condensed fuel [Electronic resource] : Russian patent number 2044032, class C10L1 /04. — Mode of access: http://ru-patent.info/20/40-44/2044032.html (accessed: 30.05.2015).

17. Shteher M. S. Fuels and working bodies of rocket engines / M. S. Shteher. — M. : Mechanical Engi-neering, 1976. — P. 34.

УДК 532.52/517.946

ВЫЧИСЛЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕШЕНИЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ ДЖЕФФРИ— ГАМЕЛЯ

Ю. И. СапроновПрофессор кафедры математического моделирования ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», д. ф.‑ м. н. (Россия, г. Воронеж), [email protected]

В. В. КоневАспирант кафедры математического моделирования ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Необходимость отыскания точных и приближенных (в том или ином смысле) аналитических выражений для решений модельных уравнений гидродинамики возникает при изучении и создании многих технических устройств. Например, описание динамических характеристик жидкости в гидроциклонах и диффузорах имеет большое значение для задачи оптимизации технических характеристик проточных частей турбинных насосов, участвующих в перекачке нефти по магистральным трубопроводам. Описание же динамических характеристик жидко-сти в этих устройствах можно получить на основе имеющихся аналитических выражений для решений модельных уравнений гидродинамики или их упрощенных вариантов.Показано, что задача о динамике жидкости в диффузоре допускает применение нелокаль-ной редуцирующей схемы Ляпунова—Шмидта, посредством которой можно сколь угод-но точно описывать поле скоростей частиц жидкости. Предложенный подход представлен в виде двухступенчатой редукции: функциональной редукции уравнения Навье—Стокса к краевой задаче для ОДУ Джеффри—Гамеля (первая ступень) и последующей редукции к конечномерному алгебраическому уравнению (вторая ступень) — через нелинейную ап-проксимацию Галеркина—Ритца и редуцирующую схему Пуанкаре—Ляпунова—Шмидта.Ключевые слова: уравнение Навье—Стокса, диффузор, уравнение Джеффри—Гамеля, ре-дукция Ляпунова—Шмидта, критические точки ключевой функции, эпюра скоростей.

1. Введение и постановка задачи

Рассмотрим уравнение Джеффри—Гамеля, описывающее поле скоростей стационарного те-чения в плоском диффузоре (см. [1]—[6])

(1)

с краевыми условиями

(2)

при интегральном ограничении

(3)

Левая часть уравнения (1) является градиен-том функционала действия

(4)

при краевых условиях (2). Функционал (4) удобно рассматривать (см. [7]—[10]) на гильбертовом про-странстве , состоящем из абсолютно непре-рывных функций, удовлетворяющих краевым усло-виям (2) и имеющих производную класса . Скалярное произведение в задается соот-

ношением . Через обозначим

подпространство функций в , удовлетво-ряющих интегральному условию (3).

Решение уравнения (1) и константа в правой части этого уравнения связаны соотно-шением

(5) © Сапронов Ю. И., Конев В. В., 2016








МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННЫХ НАСОСОВ, ТУРБИН, ГИДРОМАШИН, ГИДРОПНЕВМОАГРЕГАТОВ И ЭНЕРГОСИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕOperation processes mathematical modeling and development of contemporary pumps, turbines, hydromachines, hydraulic pneumatic units and based on power systems


Константа C является составной частью реше-ния задачи (1)—(3) и определяется равенством (5).

Для данной задачи имеется возможность ана-лиза и построения приближенных аналитических решений через нелинейную аппроксимацию Га-леркина—Ритца с применением вариационной версии метода Ляпунова—Шмидта. Посредством такой аппроксимации можно сколь угодно точ-но определять поле скоростей частиц жидкости и, как следствие, извлекать информацию о таких свойствах течения, как, например, его диффузор-ность или конфузорность на отдельных участках.

Необходимость отыскания точных и прибли-женных (в том или ином смысле) аналитических выражений для решений модельных уравнений гидродинамики возникает при изучении и созда-нии многих технических устройств. Например, описание динамических характеристик жидко-сти в гидроциклонах и диффузорах имеет боль-шое значение для задачи оптимизации техниче-ских характеристик проточных частей турбинных насосов, участвующих в перекачке нефти по ма-гистральным трубопроводам. Описание же дина-мических характеристик жидкости в этих устрой-ствах можно получить на основе имеющихся ана-литических выражений для решений модельных уравнений гидродинамики, используемых в по-добных задачах или их упрощенных вариантах.

Упрощенные варианты уравнения Навье—Стокса используются при изучении диффузор-ных течений, начиная с основополагающих работ Джеффри [1] и Гамеля [2] (1915 и 1917 гг.). Сведе-ния по математическому моделированию на этой основе течений в плоском диффузоре можно най-ти в [3]—[6].

Цель статьи заключена в демонстрации то-го, что задача о динамике жидкости в диффузо-рах (плоском, объемном и диффузоре-улитке) до-пускает применение нелокальной редуцирующей схемы Ляпунова—Шмидта, посредством которой можно достаточно точно описывать поле скоро-стей частиц жидкости в областях произвольных геометрических форм. При таком подходе извле-кается информация о «качественных свойствах» течений, полученная на основе аналитических и геометрических свойств так называемых ключе-вых отображений и ключевых функций [7].

Основой вычислительного процесса у мно-гих авторов (в случае плоского диффузора) явля-ется функциональная редукция к краевой задаче для ОДУ (подстановкой Гамеля) с последующим ис-пользованием свойства полной интегрируемости

полученного ОДУ. Но, как известно, представление решений через эллиптические функции не удо-влетворяет современным требованиям к точности приближений вследствие недостаточной точности существующих таблиц значений эллиптических функций. В работах [4]—[5] представлены резуль-таты построения приближенных решений редуци-рованного уравнения на основе метода ускорен-ной сходимости. В этих же работах дано обоснова-ние необходимости применения приближенных методов к построению решений — в противовес методу использования точного решения в эллип-тических функциях. В [9]—[11] представлен другой подход, основанный на двухступенчатой редук-ции: функциональной редукции к краевой зада-че для ОДУ с квадратичной нелинейностью (пер-вая ступень) и редукции к конечномерному алге-браическому уравнению (вторая ступень) — через нелинейную аппроксимацию Галеркина—Ритца и схему Пуанкаре—Ляпунова—Шмидта.

Общая структура представленной в статье теоретической базы вычислительного алгорит-ма в принципе сохраняется при переходе к про-странственному диффузору и диффузору-улитке. В доработке нуждаются лишь отдельные блоки алгоритма, что вызвано наличием аналитических препятствий, связанных с усложнением редуци-рующих переходов.

2. Аппроксимация Ритца и редукция Пуанкаре—Ляпунова—Шмидта

Вычислительная практика показывает, что при решении многих задач весьма удобно ис-пользовать нелинейную редукцию Ритца в виде комбинации редукции Пуанкаре—Ляпунова—Шмидта с классической (линейной) редукцией Ритца [8]. Такой подход означает выполнение сле-дующих двух действий:

1) вычисление ритцевской аппроксимации функционала :

по заранее выбранному базису аппроксимации ;

2) редуцирующий переход Пуанкаре к ключе-вой функции (ключевых переменных

, ):

. (6)

Обоснование этой процедуры приведено [7], [8]. Остановимся на случае

Коэффициенты определяются на ос-нове соотношений (1)—(3)

Функции образуют ортонормирован-ную систему в , состоящую из собственных функ-ций оператора Заме-тим, что То есть собственный вектор отвечает нулевому собственному значению.

Построение приближений к ключевой функ-ции (6) можно осуществить посредством прямо-го спуска (см. [12]—[15]), т. е. при построении не-локальной ключевой функции можно воспользо-ваться прямой процедурой кратчайшего спуска в точку минимума (по переменным при фиксированных значениях ). Первым шагом этой процедуры является выбор величины сдвига вдоль градиента из начальной (порождаю-щей) точки с целью уменьшения значения функ-ционала энергии. Для его организации требуется вычисление компонент градиента по этим пере-менным.

Приближенные экстремали будем разыски-вать в виде

Для ритцевской аппроксимации функциона-ла имеем представление

Суть первого шага процедуры градиентно-го спуска заключена в выборе сдвига вдоль анти-градиента из начальной (порождающей) точки

, дающего минимум значению функционала энергии на прямой (см. [12]—[14])

Последнее означает, что функция должна достигнуть минимума

при соответствующем значении (при фик-сированных значениях ). Здесь — началь-ная (порождающая) точка. В точке минимума функции имеем равенство

Используя для разложение Тей-лора, получим соотношение

Умножив последнее уравнение скалярно на , получим, с точностью до величин , сле-

дующее соотношение

или

(7)

где — заранее выбранная область редуцируе-мости (область, в которой имеет место выпуклость по ).

Формула (7) часто используется при приме-нении метода наискорейшего пуска [12].

Второй шаг процедуры градиентного спу-ска является повторением первого шага в точке

с соответствующей модификацией формулы (7). Третий шаг — повторение второго шага в точке , и так далее.

Напомним, что все вычисляемые величи-ны зависят от ключевых переменных

. После k-го шага получаем

— приближение к точке минимума (по перемен-ным ) функции WR. Причем отображение





является гладким вследствие выпуклости по переменным взаимной области. Функция

является (k+1)-м приближением ключевой функции (при ). Каждый новый шаг дает новую более точную поправку для приближения к точке минимума (зависящую от ). Представление матрицы Гессе в указанной выше форме удоб-но для разработки вычислительного алгоритма.

Выбор функциональной величины сдвига (вдоль антиградиента) в виде (7) приводит к ин-тенсивному росту информации, сопровождаю-щей вычисления, и, как следствие, к существен-ному замедлению работы алгоритма и быстро-му достижению предела возможностей вычис-лительных устройств. Это препятствие можно преодолеть, заменив функциональный множи-тель (7) числовым множителем , оценивающим снизу функциональные множители вида (7). Под-бор такого ограничителя снизу можно осуще-ствить, используя следующие легко проверяе-мые неравенства (для произвольной симметрич-ной матрицы ):

где

3. Приближенное вычисление собственных векторов, ключевой

функции и эпюры скоростей

Ниже приведен список собственных функ-ций с номерами до десяти, вычисленный (в среде MAPLE) с заранее заданной точностью:

На основе описанной выше схемы вычисле-ния приближений к ключевой функции (при выборе значения , третья итерация) были получены графические изображения линий уровней функции , характеризующие стацио-нарные точки и область притяжения точки мини-мума (см. рис. 1 и 2).

Рис. 1. Линии уровней ключевой функции (в различных локализациях и масштабах)

Рис. 2. Эпюры полей скоростей, отвечающих точке максимума и седловым точкам ключевой функции

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Jeffery G. B. The two-dimensional steady motion of a viscous fluid / G. B. Jeffery // Phil. Mag. — 1915. —

Ser. 6. — Vol. 29, 172. — P. 455—465.2. Hamel G. Spiralförmige Bewegungen zäher Flüssigkeiten / G. Hamel // Jahresber. Detsch. Math. Ver. —

1917. — Bd 25. — P. 34—60.3. Кочин Н. Е. Теоретическая гидродинамика / Н. Е. Кочин, И. А. Кибель, Н. В. Розе. — М. : Физматгиз,

1963. — Ч. 2. — 728 с.4. Акуленко Л. Д. Бифуркация основного стационарного течения вязкой жидкости в плоском диф-

фузоре / Л. Д. Акуленко, С. А. Кумакшев // Известия РАН. Механика жидкости и газа. — 2005. — № 3. — С. 25—36.

5. Акуленко Л. Д. Бифуркация многомодовых течений вязкой жидкости в плоском диффузоре / Л. Д. Акуленко, С. А. Кумакшев // Прикладная математика и механика. — 2008. — Т. 72. — Вып. 3. — С. 431—441.

6. Ландау Л. Д. Теоретическая физика : учеб. пособие. — Т. VI: Гидродинамика / Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. — М. : Наука, 1986. — 736 с.

7. Даринский Б. М. Бифуркации экстремалей фредгольмовых функционалов / Б. М. Даринский, Ю. И. Сапронов, С. Л. Царев // Современная математика. Фундаментальные направления. — 2004. — Т. 12. — С. 3—140.

8. Ковалева М. И. Огибающие кривые, точки возврата и бифуркационный анализ нелинейных за-дач / М. И. Ковалева, Т. И. Костина, Ю. И. Сапронов. — Воронеж : ВУНЦ ВВС «ВВА», 2015. — 242 с.

9. Сапронов Ю. И. Моделирование диффузорных течений жидкости посредством редуцирован-ных уравнений / Ю. И. Сапронов // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и програм-мирование. — 2014. — Т. 7. — № 2. — С. 74—86.

10. Сапронов Ю. И. К моделированию течений в диффузоре / Ю. И. Сапронов // Насосы. Турбины. Системы. — 2014. — № 3 (12). — С. 66—72.

11. Конев В. В. Обобщенное уравнение Джеффри—Гамеля в случае трехмерного диффузора / В. В. Конев, Ю. И. Сапронов // Насосы. Турбины. Системы. — 2015. — № 2 (15). — С. 60—64.

12. Красносельский М. А. Итерационный процесс с минимальными невязками / М. А. Красносель-кий, С. Г. Крейн // Матем. сб. — 1952. — Т. 31 (73). — Вып. 2. — С. 315—334.

13. Лемешко А. А. О равномерной сходимости с производными галеркинских приближений к ре-шениям уравнений с параметрами / А. А. Лемешко // Математические модели и операторные уравне-ния. — 2003. — Т. 2. — С. 94—103.

14. Лемешко А. А. О равномерной сходимости ньютоновских приближений к решениям уравне-ний с параметрами / А. А. Лемешко // Сборник трудов молодых ученых математического факультета ВГУ. — Воронеж : ВГУ, 2003. — С. 74—83.

15. Костина Т. И. Нелокальное вычисление ключевых функций в задаче о периодических решени-ях вариационных уравнений / Т. И. Костина // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Физика. Математика. — 2011. — № 1. — С. 181—186.





CALCULATION AND ANALYSIS OF SOLUTIONS OF THE JAFFRAY—HAMEL EQUATION BOUNDARY PROBLEM

Y. I. SapronovProfessor of «Mathematical Modeling» Department of «Voronezh State University», Dr. Phys.‑Math. Sci. (Russia, Voronezh), [email protected]

V. V. KonevPostgraduate student of «Mathematical Modeling» Department of «Voronezh State University» (Russia, Voronezh), [email protected]

Abstract. The necessity of finding the exact and approximate (in some sense) analytical form for solutions of hydrodynamics model equations arises in the study and creation of many techni-cal devices. For example, a description of the fluid dynamic characteristics of hydrocyclones and the diffuser has a great importance for the optimization problem of the turbine pump flow parts technical characteristics which are involved in pumping oil through pipelines. Description of the dynamic characteristics of the fluid in these devices can be obtained on the basis of the availa-ble analytical forms for solution of model equations of hydrodynamics or it’s simplified versions.It is shown that the problem of fluid dynamics in the diffuser allows the use of the reducing non-local Lyapunov—Schmidt scheme, through which you can arbitrarily accurately describe the field of fluid particle velocities. The proposed approach is presented in the form of a two-stage re-duction: functional reduction of the Navier—Stokes equation to a boundary problem for the Jef-fery—Hamel ODE (first stage) and subsequent reduction to the finite-algebraic equation (second stage) — through a Galerkin—Ritz non-linear approximation and reducing the Poincare—Lyapu-nov—Schmidt scheme.Keywords: Navier—Stokes equations, the diffuser, Jeffery—Hamel equation, Lyapunov—Schmidt reduction, the critical points of a key function, velocity diagram.

R E F E R E N C E S1. Jeffery G. B. The two-dimensional steady motion of a viscous fluid / G. B. Jeffery // Phil. Mag. — 1915. —

Ser. 6. — Vol. 29, 172. — P. 455—465.2. Hamel G. Spiralförmige Bewegungen zäher Flüssigkeiten / G. Hamel // Jahresber. Detsch. Math. Ver. —

1917. — Bd 25. — P. 34—60.3. Cochin N. E. Theoretical Fluid Dynamics / N. E. Cochin, I. A. Kibel, N. V. Rose. — M. : Fizmatgiz, 1963. —

P. 2. — 728 p.4. Akulenko L. D. Bifurcation of the main stationary viscous flow in a plane diffuser / L. D. Akulenko,

S. A. Kumakshev // RAS News. Fluid Mechanics. — 2005. — № 3. — P. 25—36.5. Akulenko L. D. Bifurcation multimode viscous fluid in a plane diffuser / L. D. Akulenko, S. A. Kumak-

shev // Applied Mathematics and Mechanics. — 2008. — Vol. 72. — Issue 3. — P. 431—441.6. Landau L. D. Theoretical physics : textbook. — Vol. VI: Hydrodynamics / L. D. Landau, E. M. Lifshitz. —

M. : Nauka, 1986. — 736 p.7. Darinskii B. M. Bifurcations of extremals of Fredholm functionals / B. M. Darinskii, Y. I. Sapronov,

S. L. Tsa rev // Contemporary Mathematics. Fundamental Directions. — 2004. — Vol. 12. — P. 3—140.8. Kovaleva M. I. The envelope curve, the point of return and bifurcation analysis of nonlinear problems /

M. I. Kovaleva, T. I. Kostina, Y. I. Sapronov. — Voronezh : AFMESC, 2015. — 242 p.9. Sapronov Y. I. Modeling diffuser fluid flows through the reduced equations / Y. I. Sapronov // Bulle-

tin of South Ural State University. Series: Mathematical modeling and programming. — 2014. — Vol. 7. — № 2. — P. 74—86.

10. Sapronov Y. I. About modelling of currents by diffusor / Y. I. Sapronov // Pumps. Turbines. Systems. — 2014. — № 3 (12). — P. 66—72.

11. Konev V. V. Generalized Jeffery—Hamel equation in the case of a three-dimensional diffusor / V. V. Konev, Y. I. Sapronov // Pumps. Turbines. Systems. — 2015. — № 2 (15). — P. 60—64.

12. Krasnoselsky M. A. Iteration process with minimal residuals / M. A. Krasnoselsky, S. G. Krein // Mat. Col. — 1952. — Vol. 31 (73). — Issue 2. — P. 315—334.

13. Lemeshko A. A. Uniform convergence with derivatives of Galerkin approximations to solutions of equations with parameters / A. A. Lemeshko // Mathematical models and operator equations. — 2003. — Vol. 2. — P. 94—103.

14. Lemeshko A. A. Uniform convergence of Newton’s approximations to solutions of equations with pa-rameters / A. A. Lemeshko // Proceedings of young scientists of the Mathematics Faculty of Voronezh State University. — Voronezh : VSU, 2003. — P. 74—83.

15. Kostina T. I. Nonlocal calculation of key functions in the problem of periodic solutions of variation-al equations / T. I. Kostina // Bulletin of Voronezh State University. Series: Physics. Mathematics. — 2011. — № 1. — P. 181—186.





Осуществляет обучение студентов в соответствии с программой бакалав-риата (полный курс обучения) для профиля подготовки «131000 Нефтегазовое дело» по направ-лению «Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продук-тов переработки». Объектами профессиональной деятельности выпускников являются: системы транспорта углеводородов, магистральные и промысловые трубопроводы, насосные и компрес-сорные станции, газо хранилища, нефтебазы и т. д. На кафедре осуществляется подготовка спе-циалистов высшей квалификации в аспирантуре по специальностям: «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты» и «Теплофизика и теоретическая теплотехника». С 2014 года осуществля-ются набор и обучение по программе прикладного бакалавриата 21.03.01 «Нефтегазовое дело».



НОВОСТИ РАПНRPMA News



ОБ УЧАСТИИ АСПИРАНТОВ КАФЕДРЫ НГОТ ВГТУ В РАБОТЕ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОГО СЕМИНАРА

С. Г. ВалюховЗаведующий кафедрой нефтегазового оборудования и транспортировки ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», д. т. н., профессор (Россия, г. Воронеж), [email protected]

В начале июня текущего года на базе кафедры Э-10 МГТУ им. Н. Э. Баумана по инициативе и при участии Российской ассоциации производителей насосов (РАПН) прошел научно-технический се-минар «Современные методы расчета и проекти-рования насосного оборудования».

В работе семинара приняли участие руково-дители РАПН, ведущие научные сотрудники ка-федры Э-10 МГТУ им. Н. Э. Баумана и кафедры ТГ и АД Санкт-Петербургского политехнического

университета, специалисты ООО «Инженерный Центр Численных Исследований», R&D Центра Simulabs 4D ЗАО «КАФДЕМ Си-АЙ-Эс», специали-сты ведущих предприятий страны в области насо-состроения.

Аспиранты кафедры нефтегазового оборудо-вания и транспорта ВГТУ представили два докла-да, которые могут заинтересовать проектантов насосного оборудования.

Ниже приводятся тексты этих докладов.

ABOUT THE PARTICIPATION OF POSTGRADUATE STUDENTS OF OGET VSTU IN THE SCIENTIFIC-PRACTICAL SEMINAR

S. G. ValyukhovHead of the «Oil and Gas Equipment and Transportation» Department of «Voronezh State Technical University», Dr. Tech.Sci., Professor (Russia, Voronezh), [email protected]

At the beginning of June this year there took place a Scientific and Technical Seminar «Modern methods of calculation and designing of the pump-ing equipment», it was based on E-10 department of MSTU named after N. E. Bauman on an initiative and with the assistance of the Russian Pump Manufactur-ers association (RPMA).

Heads of RPMA, leading researchers of the E-10 Department of MSTU named after N. E. Bauman and the «Fluid dynamics, Combustion and Heat transfer»

Department of the St. Petersburg Polytechnic Uni-versity, specialists of «Engineering Center of Numer-ical Investigation», R & D Center Simulabs 4D CJSC «KAFDEM CIS», experts of the country’s leading com-panies in the pump industy.

Postgraduate students of the «Oil and Gas Equipment and Transportation» Department of VS-TU submitted two reports that might be interesting for pumping equipment designers.

Following are the texts of these reports.

© Валюхов С. Г., 2016

УДК 621.67

РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ НАСОСЕ В СРЕДЕ ANSYS CFX

М. Н. БаулинАспирант кафедры НГОТ ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Д. А. НемтиноваАспирант кафедры НГОТ ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Е. М. ОболонскаяВедущий конструктор темы ОАО «Турбонасос» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

О. Ю. ОболонскаяСтудент ФГБОУ ВПО «Московский физико‑технический институт (государственный университет)» (Россия, Московская обл.), [email protected]

П. И. ШотерГлавный механик ОАО АК «Транснефть» (Россия, г. Москва), [email protected]

Целью настоящей работы было исследование возможности программного комплек-са ANSYS CFX для расчета трехмерного течения в проточной части центробежного насоса и влияния способа сопряжения параметров потока при переходе от ротора (рабочего коле-са) к статору (лопаточному отводу) на локальные (давление, скорость) и интегральные (на-пор, КПД) параметры исследуемого насоса.Ключевые слова: ANSYS CFX, трехмерное течение, центробежный насос.

В настоящее время при проектировании на-сосов для сокращения количества испытаний, времени и средств разработчиков успешно при-меняются методы гидродинамического модели-рования трехмерного течения жидкости (напри-мер, программный комплекс Ansys CFX). Посколь-ку результаты расчета планируется использовать для усовершенствования процесса проектиро-вания центробежных насосов и оптимизации их проточной части, то определение локаль-ных (давление, скорость) и интегральных (напор, КПД) параметров исследуемого насоса должно проводиться с приемлемой для инженерных це-лей точностью.

При моделировании течения в проточной ча-сти центробежного насоса наиболее сложным яв-ляется сопряжение параметров потока при пере-ходе от относительного движения (течение в ра-

бочем колесе) к абсолютному движению (течение в лопаточном отводе). Для моделирования вза-имного влияния лопаток ротора и статора в про-граммном комплексе ANSYS CFX в зазоре между ними размещают искусственную поверхность со-пряжения параметров. В программном комплек-се ANSYS CFX реализованы 3 способа сопряжения течения: Stage, Frozen rotor, Transient Rotor Stator [1]. Stage и Frozen rotor предусматривают расчет стационарного течения, Transient Rotor Stator — нестационарного.

При использовании интерфейса Stage на по-верхности сопряжения выполняется осреднение в окружном направлении параметров потока, вы-ходящего из рабочего колеса насоса. При этом в абсолютном движении лопатки направляюще-го аппарата обтекаются искусственно сформиро-ванным осесимметричным стационарным пото-ком. Способ Stage является наиболее экономич-ным с точки зрения использования машинного времени, однако если статорная зона не симме-

© Баулин М. Н., Немтинова Д. А., Оболонская Е. М., Оболонская О. Ю., Шотер П. И., 2016




трична относительно вращения ротора (напри-мер, улитка насоса), то окружное осреднение не-корректно.

При использовании интерфейса Frozen rotor поток проходит поверхность сопряжения без осреднения в окружном направлении параме-тров потока, выходящего из рабочего колеса на-

соса. Для того чтобы, пользуясь способом Frozen rotor, получить осредненное влияние неоднород-ности поля скорости в зазоре между рабочим ко-лесом и направляющим аппаратом на обтекание лопаток НА, необходимо выполнить серию расче-тов при различных взаимных положениях лопа-ток рабочего колеса и НА [2].

Рис. 1. Расположение лопаток рабочего колеса относительно языка отвода и лопаток направляющего аппарата

На рисунке 2. представлены результаты рас-чета насоса типа МНН при различном расположе-

нии лопаток рабочего колеса относительно лопа-ток направляющего аппарата.

Рис. 2. Поле скоростей в лопаточном отводе и рабочем колесе при различном расположении лопаток рабочего колеса

На рисунке 3 представлены результаты серии расчетов для различных положений лопаток ра-

бочего колеса относительно лопаток направляю-щего аппарата с шагом 2°.

Рис. 3. Влияние угла расположения лопаток рабочего колеса относительно лопаток направляющего аппарата при проведении расчета в ANSYS на гидравлический КПД насоса

Для определения влияния количества расчет-ных точек (т. е. количества проводимых расчетов в ANSYS) на погрешность определения гидрав-лического КПД насоса проведем анализ средних значений для различных выборок xi, сформиро-ванных на основе проведенной серии расчетов X.

Выборки были сгенерированы следующим образом:

,

где xi,j — j-й элемент i-й выборки, ;

;

X — матрица, сформированная на основе проведенной серии расчетов гидравлического КПД;

2⋅i — шаг сдвига i-й выборки.Среднее значение гидравлического КПД для

i-й выборки определяем следующим образом [3], [4]:

, (1)

где ni — количество расчетов в i-й выборке,xi,m — значение гидравлического КПД m-го

расчета i-й выборки.На рисунке 4 приведен график зависимости

среднего значения гидравлического КПД по вы-борке в зависимости от шага.

Из приведенного выше графика видно, что значения гидравлического КПД, вычисленные

с шагами от 2° до 12°, лежат практически на од-ной прямой (Y(x) = 87,9108 + 8,85714⋅x, standard error (intercept) = 0,00468, standard error (slope) = = 6⋅10–4), а значения гидравлического КПД, вычис-ленные с шагами от 14° до 28°, достаточно сильно флуктуируют.

Рис. 4. Влияние шага сдвига при проведении расчета в ANSYS на среднее значение гидравлического КПД

насоса

Среднеквадратическое отклонение гидрав-лического КПД i-й выборки определяем следую-щим образом [3], [4]:

, (2)

где nmax — общее количество проведенных расчет-ных экспериментов (nmax = 27),




Xm — значение гидравлического КПД m-го расчетного эксперимента.

На рисунке 5 приведен график зависимости среднеквадратического отклонения гидравличе-ского КПД в зависимости от шага.

Рис. 5. Влияние шага сдвига при проведении расчета в ANSYS на среднеквадратическое отклонение

гидравлического КПД насоса

Из приведенного выше графика видно, что среднеквадратическое отклонение минимально и, что немаловажно, практически постоянно при шаге от 2° до 12°. Дальнейшее увеличение шага вносит значительную погрешность в расчеты.

На рисунке 6 приведен график зависимости среднеквадратического отклонения гидравличе-ского КПД в зависимости от количества точек, ис-пользуемых в расчетах.

Из построенного графика видно, что опти-мальным количеством точек являются 5 точек.

Выводы:1. Проведена серия расчетных эксперимен-

тов с целью определения влияния расположения лопаток рабочего колеса относительно лопаток направляющего аппарата на локальные (давле-ние, скорость) и интегральные (напор, КПД) пара-

метры исследуемого насоса при использовании интерфейса Frozen rotor.

Рис. 6. Влияние количества расчетных точек на среднеквадратическое отклонение гидравлического

КПД насоса

2. На основе полученных данных сформи-ровано множество выборок с различным шагом сдвига лопаток рабочего колеса, и для каждой выборки рассчитано среднее значение гидравли-ческого КПД насоса.

3. Получено влияние шага сдвига при прове-дении расчета в ANSYS на среднеквадратическое отклонение гидравлического КПД насоса.

4. Определено, что для получения при ис-пользовании метода Frozen rotor осредненного влияния неоднородности поля скоростей в зазо-ре между рабочим колесом и направляющим ап-паратом на обтекание лопаток НА с приемлемой точностью необходимо выполнить серию расче-тов при различных взаимных положениях лопа-ток рабочего колеса и НА, включающую в себя не менее z = 5 расчетных точек, равномерно распо-

ложенных c шагом , где Zлоп — количе-

ство лопаток рабочего колеса.

Л И Т Е Р А Т У Р А1. ANSYS CFX Tutorials [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.yumpu.com/en/

document/view/34443351/ansys-cfx-tutorials2. Епифанов А. А. Численное моделирование трехмерного течения в решетках и ступенях мало-

расходных турбин ЛПИ : автореф. дис. … канд. техн. наук / А. А. Епифанов. — СПб., 20123. Измерение потока. Методики оценки неопределенностей (Measurement of fluid flow —

Procedures for the evaluation of uncertainties) : Международный стандарт ISO 5168: 2005.4. Яворский В. А. Планирование научного эксперимента и обработка экспериментальных данных /

В. А. Яворский. — М. : Изд-во МФТИ, 2006.

SETTLEMENT RESEARCH OF FLUID FLOW IN THE CENTRIFUGAL PUMP BY ANSYS CFX

M. N. BaulinPostgraduate student OGET Department «Voronezh State Technical University» (Russia, Voronezh), info@ turbonasos.ru

D. A. NemtinovaPostgraduate student OGET Department «Voronezh State Technical University» (Russia, Voronezh), info@ turbonasos.ru

E. M. ObolonskayaLeading Designer of the Theme of JSC «Turbonasos» (Russia, Voronezh), [email protected]

O. Y. ObolonskayaStudent of «Moscow Institute of Physics and Technology (State University)» (Russia, Moscow region), Info@ mipt.ru

P. I. ShoterСhief Mechanical Officer of JSC «Transneft» (Russia, Moscow), [email protected]

Abstract: The purpose of this work was to investigate the possibility of ANSYS CFX software for the calculation of three-dimensional flow in the flow part of the centrifugal pump and the effect of the method interface parameters of the flow in the transition from the rotor (impeller) to the stator (scapular allotment) to local (pressure, speed) and integral (pressure, efficiency) parame-ters of the test pump.Keywords: ANSYS CFX, three-dimensional flow, centrifugal pump.

R E F E R E N C E S1. ANSYS CFX Tutorials [Electronic resource]. — Mode of access: http://www.yumpu.com/en/docu-

ment/view/34443351/ansys-cfx-tutorials2. Epifanov A. A. Numerical simulation of three-dimensional flow in lattices and stages low-account tur-

bines LPI : abstract of dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences / A. A. Epifanov, SPb., 2012.

3. The flow measurement. Methodology uncertainty estimates (Measurement of fluid flow — Proce-dures for the evaluation of uncertainties) : International Standard ISO 5168: 2005.

4. Yavorski V. A. Planning for scientific experiments and experimental data processing / V. A. Yavorski. — M. : MIPT, 2006.




УДК 621.67

СОЗДАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ЗАМКНУТОЙ ОПТИМИЗАЦИОННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОДВОДА МАГИСТРАЛЬНОГО НЕФТЯНОГО НАСОСА НА ПЛАТФОРМЕ ANSYS WORKBENCH

С. Г. ВалюховЗаведующий кафедрой НГОТ ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», д. т. н., профессор (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Д. Н. ГалдинАспирант кафедры НГОТ ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

М. К. КарташовАспирант кафедры НГОТ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

А. А. ПоповаАспирант кафедры НГОТ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

И. И. ШкурлетоваВедущий конструктор темы ОАО «Турбонасос» (Россия, г. Воронеж), [email protected]

Работа посвящена созданию параметрической замкнутой модели подвода магистрально-го нефтяного насоса на платформе ANSYS Workbench. Данная конечно-элементная модель предназначена для проведения гидродинамических исследований спирального подвода двухстороннего входа центробежных насосов с целью улучшения их характеристик с ис-пользованием оптимизационных процедур.Ключевые слова: центробежный насос, спиральный подвод, параметрическое моделиро-вание, гидродинамическое исследование, ANSYS.

В настоящее время при проектировании на-сосов для сокращения количества испытаний, времени и средств разработчиков успешно при-меняются методы гидродинамического модели-рования трехмерного течения жидкости (напри-мер, программный комплекс Ansys). С целью по-вышения энергетических характеристик (КПД, мощность) центробежного насоса широко ис-пользуется вариантное проектирование — мно-гократная оценка расчетных характеристик насо-са с различными геометрическими параметрами, позволяющая найти параметры, обеспечиваю-щие наилучшие характеристики [1, 2]. С целью со-кращения времени на поиск оптимальной геоме-

трии целесообразно разбить проточную часть на-соса на следующие элементы:

• Устройство подвода.• Рабочее колесо.• Направляющий аппарат.• Устройство отвода.Данное разделение в достаточной степени

условно, поскольку в насосе элементы работа-ют совместно и, соответственно, оказывают вза-имное влияние друг на друга. Однако, с учетом некоторых допущений, такое разделение позво-ляет оперативно выполнять предварительную, расчетную оптимизацию каждого элемента в от-дельности.

Исследования в этом направлении целесооб-разно проводить путем введения параметриза-ции изменений геометрической формы подвода в методы расчета трехмерного течения жидкости.

В зависимости от конструкции подвода обес-печивается создание той или иной структуры по-тока перед входом в рабочее колесо. Именно эта структура потока, созданная подводом, оказыва-ет значительное влияние на КПД и характеристи-ки насоса в целом. В связи с этим основными тре-бованиями к подводам являются [3]:

1) подвести поток жидкости от всасывающего трубопровода на вход в рабочее колесо с мини-мально возможными потерями;

2) создание равномерного (или осесимме-тричного) поля скоростей перед рабочим коле-сом, необходимого для создания установившего-ся относительного движения в колесе;

3) обеспечение заданного или нулевого мо-мента скорости на входе в рабочее колесо.

Данные требования предъявляются к под-водам как при оптимальных, так и при отличных от оптимальных режимах, когда на входе в ко-лесо возникают обратные токи, вихреобразова-ния и т. п.

Цель настоящей работы заключалась в созда-нии математической модели спирального подво-да центробежного насоса типа МНН, позволяю-щей решать задачи определения гидравлических потерь в подводе, а также задачу обеспечения равномерного распределения скоростей потока.

Наиболее важным этапом реализации мате-матической модели является построение параме-трических моделей проточной части с использо-ванием инструментария ANSYS, поэтому данный этап описан достаточно подробно. Для 3D-моде-лирования подвода необходимы исходные дан-ные, отражающие полную геометрическую фор-

му проточной части центробежного насоса, полу-ченные в результате проектировочного расчета.

Построение начинается с создания эски-за, по которому впоследствии будет создано те-ло вращения. Данный эскиз строится в плоско-сти ZXPlane, поскольку в качестве оси вращения рабочего колеса используется ось Z. На данном скетче строится необходимая геометрия. В хо-де проектировочного расчета определяются ос-новные ограничивающие параметры, такие как расстояние от центра вала до входа в отводя-щее устройство, геометрические размеры под-вода и рабочего колеса. Далее формируется не-обходимая геометрия и задаются основные раз-меры. Данный эскиз осесимметричный относи-тельно оси Х.

Для дальнейшего исследования устанав-ливаются параметрами неопределенные вели-чины. На построенном эскизе внешний контур формируемой проточной части строится дугами окружностей, с заданными параметрами радиу-сами и условием касания в точках сопряжения. Изменяемыми параметрами задаются следую-щие размеры:

1) Расстояние от оси Х до точки 1.2) Расстояние до точки 2 задавалось относи-

тельно начала проточной части рабочего колеса (РК) выражением Lpod = L+Lcil, где Lpod — зада-ваемое расстояние, L — длина проточной части РК в осевом направлении, Lcil — длина кольцево-го участка на выходе из подвода (рис. 1 а).

3) Угол между прямой линией 3 и осью Z, а также длина линии 3 (рис. 1 б, в).

4) Длина линии 4 (рис. 1 г).

а) б)

в) г)

Рис. 1. Основные ограничивающие и редактируемые параметры © Валюхов С. Г., Галдин Д. Н., Карташов М. К.,

Попова А. А., Шкурлетова И. И., 2016




Далее в плоскости XYPlane строится не-сколько эскизов, содержащих набор прямых ли-ний с привязкой к началу координат. Для каж-дой из линий задается два размера — длина ли-нии и угол между положительным направлением оси X. Каждый из данных размеров задается пара-метром. Данные линии необходимы для дальней-шего построения сплайна, описывающего спи-раль. Таким образом, достигается возможность построения точек в полярных координатах. С по-мощью встроенного редактора параметров запи-сываются уравнения спиралей. По данным точ-кам строятся спирали на отдельном эскизе. К по-лученным сплайнам добавляют несколько дуг окружностей с радиусами, заданными параметра-ми. Линия входа в подвод задается тремя фикси-рованными размерам (рис. 2).

Рис. 2. Построение спиралей

После того как основные эскизы построены, выполняются операции Revolve для первого эски-за и Extrude для второго. Результаты проведенных операций отображены на рисунке 3.

Как указано в литературе [4], установка на-правляющего ребра в подводе уменьшает за-крутку потока на выходе патрубка. Для создания данного элемента добавляется эскиз на плоско-сти окончания ребра, описывающий форму реб-ра. Расстояние между ребром и валом, а также угол сужения ребра были заданы параметрами. Далее инструментом Extrude было произведено выдавливание (рис. 4 а). На полученном теле при помощи инструментов Blend Fixed Radius и Blend Variable Radius создаются закругления граней (рис. 4 б).

Рис. 3. Результат построения основной геометрии подвода

Увеличение участка постоянного кольцево-го сечения на выходе из подвода повышает рав-номерность потока в выходном сечении [5]. По-этому для возможности анализа изменения ха-рактеристик подвода к модели добавляются до-полнительные тела вращения на выходе (рис. 4 в). Длина кольцевого участка задается параметром с именем Lcil. Скругления на выходе из подво-да формируются с помощью инструментов Blend с параметрами r1 и r2 (рис. 4 г).

Построенная таким образом модель содер-жит набор варьируемых параметров, которые представлены в таблице 1. Стоит отметить, что со-зданная таким образом модель корректна в огра-ниченном диапазоне изменения параметров.

Созданная параметрическая модель геоме-трии передается в модуль Meshing для формиро-вания сеточной модели. Далее сеточная модель подвода используется для моделирования в CFX.

С помощью инструмента CFX Pre задают гра-ничные условия (на входе, выходе, стенках, ин-терфейсы), параметры моделирования (модель турбулентности, шаг по времени и пр.) и отправ-ляют модель в решатель CFX. В решателе задают-ся параметры алгоритма решения сеточных урав-нений, и запускается процесс решения. После сходимости системы сеточных уравнений резуль-таты передаются в CFX Post, где обрабатываются и выводятся в качестве выходных критериев для

анализа. Одним из возможных критериев являет-ся распределение векторов скоростей в подво-де и на выходе из подвода (рис. 5). После прове-дения анализа предварительно полученной оп-тимальной геометрии подвода в проект добав-ляют геометрии рабочего колеса и отвода для

дальнейшей оптимизации и оценки влияния гео-метрии подвода на гидравлический КПД насоса. В качестве контролируемого параметра для даль-нейшей оптимизации используется гидравли-ческий КПД насоса. Структура расчетного блока представлена на рисунке 6.

Т а б л и ц а 1 Варьируемые параметры

Имя параметра Описание параметраL_1 расстояние от оси Х до точки 1

L длина проточной части РК в осевом направленииLpod расстояние от оси Х до точки 2Lcil длина кольцевого участка на выходе из подвода

Angle_3 угол между прямой линией 3 и осью ZL_4 длина линии 4R_n радиус начала спиралиR_k радиус конца спиралиB_nr ширина направляющего ребраL_nr расстояние между направляющим ребром и валом

r1 радиус скругления каналаr2 радиус скругления канала вблизи вала

а) б)

в) г)

Рис. 4. Направляющее ребро, построение скруглений, участок постоянного кольцевого сечения, радиусы на выходе из подвода




Рис. 5. Векторы скоростей в подводе и на границе подвода — рабочее колесо

Рис. 6. Расчетный блок

Разработанная параметрическая замкнутая оптимизационная математическая модель позво-ляет проводить оптимизацию для проточной ча-сти подводов магистральных нефтяных насосов. Преимуществом данной системы являются ее до-статочно гибкие возможности по построению мо-делей спиральных подводов. Алгоритм построе-ния не ограничен определенным типоразмером и теоретически при соблюдении пропорций ве-личин позволяет создавать подводы любых раз-меров в данной видовой категории.

Л И Т Е Р А Т У Р А1. Валюхов С. Г. Численное моделирование гидродинамических процессов в проточной части маги-

стрального нефтяного насоса / С. Г. Валюхов, Ю. А. Булыгин, А. В. Кретинин / Разработка, производство и эксплуатация турбо-, электронасосных агрегатов и систем на их основе : труды VI Международной на-учно-технической конференции «СИНТ’11». — Воронеж : ИПЦ «Научная книга», 2011. — С. 61—65.

2. Валюхов С. Г. Оптимизационное проектирование проточной части магистрального нефтяно-го насоса с использованием turbo инструментов ANSYS / С. Г. Валюхов, А. В. Кретинин, Д. Н. Галдин, С. С. Баранов // Насосы. Турбины. Системы. — 2015. — № 1. — С. 56—70.

3. Михайлов А. К. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование / А. К. Михайлов, В. В. Ма-люшенко. — М. : Машиностроение, 1977. — 288 с.

4. Высокооборотные лопаточные насосы / под ред. Б. В. Овсянникова и В. Ф. Чебаевского. — М. : Машиностроение, 1975. — 336 с.

5. Айзенштейн М. Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности / М. Д. Айзенштейн ; ГНТИ нефтяной и горно-топливной литературы. — М., 1957. — 363 с.

CREATION OF THE CLOSED PARAMETRIC OPTIMIZATION MATHEMATICAL MODEL OF THE PIPELINE OIL PUMP INLET ON THE ANSYS WORKBENCH PLATFORM

S. G. ValyukhovHead of the OGET Department of «Voronezh State Technical University», Dr. Tech. Sci., Professor (Russia, Voronezh), [email protected]

D. N. GaldinPostgraduate student of the OGET Department of «Voronezh State Technical University» (Russia, Voronezh), [email protected]

M. K. KartashovPostgraduate student of the OGET Department of «Voronezh State Technical University» (Russia, Voronezh), [email protected]

A. A. PopovaPostgraduate student of the OGET Department of «Voronezh State Technical University» (Russia, Voronezh), [email protected]

I. I. ShkurletovaLead Designer of the Theme of JSC «Turbonasos» (Russia, Voronezh), [email protected]

Abstract. Article is dedicated to creation of the closed parametric optimization mathematical model of the pipeline oil pump inlet on the ANSYS Workbench platform. This finite element mod-el is designed for hydrodynamic studies of double suction centrifugal pumps spiral inlet in order to improve their performance by using optimization procedures.Keywords: centrifugal pump, a spiral inlet, parametric modeling, hydrodynamic studies, ANSYS.

R E F E R E N C E S1. Valyukhov S. G. Numerical modeling of hydrodynamic processes in the flow of the main oil pump /

S. G. Valyukhov, Y. A. Bulygin, A. V. Kretinin // Development, production and operation of generators, electric pumps and systems based on them: Proceedings of the VI International Scientific Conference «SIPT’11». — Voronezh : CPI «Scientific Book», 2011. — P. 61—65.

2. Valyukhov S. G. The pipeline oil pump flow part optimal design with the use of the turbo tool AN-SYS / S. G. Valyukhov, A. V. Kretinin, D. N. Galdin, S. S. Baranov / Pumps. Turbines. Systems. — 2015. — № 1. — P. 56—70.

3. Mikhailov A. K. Vane pump. Theory, calculation and design / A. K. Mikhailov, V. V. Malyushenko. — M. : Engineering, 1977. — 288 p.

4. High-speed vane pumps / ed. B. V. Ovsyannikov and V. F. Chebaevskiy. — M. : Engineering, 1975. — 336 p.

5. Aizenshtein M. D. Centrifugal pumps for the oil industry / M. D. Aizenshtein ; GNTI oil, mining and fu-el literature. — M., 1957. — 363 p.




УДК 621.65

МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА PCVEXPO — ВСЕГДА ГЛАВНОЕ ОТРАСЛЕВОЕ СОБЫТИЕ ГОДА, А 15-Я ЮБИЛЕЙНАЯ ВЫСТАВКА В НОВЫХ РЕАЛИЯХ — ТЕМ БОЛЕЕ

Е. В. СолодченковИсполнительный директор РАПН (Россия, г. Москва), [email protected]

Выставка стала главным отраслевым мероприятием для участников насосного рынка, где можно увидеть самую современную продукцию, на профессиональном уровне обсудить любые вопросы, связанные с ее созданием, эксплуатацией и развитием.Ключевые слова: международная выставка, насосное оборудование, Российская ассоциа-ция производителей насосов.

Из истории вопроса

Справедливости ради надо сказать, что ис-токи создания сегодняшней выставки ведут нас к далекому 1975 году, когда впервые в СССР, в Мо-скве, в Сокольниках была организована Междуна-родная выставка «Насосы и компрессоры—75». Как один из ее организаторов — представитель головного отраслевого института «ВНИИГидро-маш» — я с полной мерой ответственности могу утверждать, что эффект для отечественной про-мышленности был огромным и послужил мощным импульсом для развития этих отраслей на многие следующие годы. Участие в выставке всех крупней-ших отечественных и западных производителей показало огромную роль насосостроения в разви-тии мирового технического прогресса и обозначи-ло пути дальнейшего развития отрасли.

Однако история предпочла иной сценарий, и после саморазрушения страны в 1991 году и «либеральных реформ», приведших к 75%-ному падению объемов производства, тотальному им-порту продуктов и товаров, многомесячным за-держкам заработной платы, обнищанию населе-ния, в 1998 году случился дефолт.

Как известно, все в мире находится в коле-бательной системе, и после падения неизбежен подъем. Так, рухнувший курс рубля создал кон-курентные преимущества отечественным про-изводителям, возросшие цены на нефть приве-ли вначале к стабилизации экономики, а затем к ее росту. Тогда-то Российская ассоциация про-изводителей насосов (РАПН) совместно со сво-

ими коллегами — ассоциациями компрессорщи-ков (АСКОМП) и арматурщиков (НПАА) — решила, с целью активизации этих процессов, организо-вать выставку PCVEXPO. Для начала робко — 1 раз в два года, однако первая же выставка в 2000 году вызвала такой интерес участников рынка насос-ного оборудования, что стала ежегодной, с посто-янно растущими показателями. За небывало ко-роткий срок она вошла в число мировых лидеров в своей области. Участниками выставки за этот пе-риод побывали практически все ведущие россий-ские и западные компании. Благодаря активному участию РАПН в соответствующей Европейской ассоциации руководство Europump стало посто-янными гостями и участниками выставки. Орга-низованный и проведенный РАПН съезд европей-ских производителей насосов в Москве в 2005 го-ду еще более укрепил позиции PCVEXPO.

Именно на PCVEXPO РАПН с 2005 года стала пропагандировать и внедрять российскую вер-сию европейской программы энергоэффектив-ности насосного оборудования Ecopump.ru. Де-ловая программа, включающая научно-техниче-ские конференции, научно-практические семина-ры, круглые столы, конкурсы, консолидировали и координировала действия участников насосно-го рынка, в значительной степени обеспечиваю-щего и определяющего развитие экономики стра-ны в целом.

Мировой финансовый кризис 2008—2009 гг. хотя и уменьшил объемы производства насосной продукции, зато за счет падения курса рубля уве-личил на рынке долю отечественных насосов до 75 %. PCVEXPO, благодаря совместным усилиям организаторов, практически без потерь прошла

этот период, отыскивая более эффективные и при-емлемые для участников формы взаимодействия.

Ситуация в экономике снова стабилизирова-лась и стала улучшаться, свидетельством чему — увеличение золотовалютных запасов, рост дохо-дов населения, жилищное строительство, рефор-мирование армии и др.

Новые реалии

Очередным подтверждением колебатель-ности процессов мировой экономики стал кри-зис в России в 2013—2014 гг. С целью выбора верной стратегии работы на рынке, а в каче-стве инструмента реализации — на выставке PCVEXPO, попробуем сделать анализ создав-шейся ситуации.

Кризисы 1991 г. и 1998 г. будем считать по-рождением наших внутренних проблем. Кри-зис 2008—2009 гг. характеризуется своим назва-нием — мировой финансовый. Кризис 2013—2014 гг. принципиально иной, с признаками по-литической, информационной и экономической войны Запада против РФ, которая (война) назы-вается ими сдерживанием России, а по сути яв-ляется жесткой реакцией на возрождение нашей страны и попыткой защиты суверенных интере-сов Запада.

Кредитно-финансовые и инвестиционно-технологические санкции против РФ нанесли су-щественный удар по ее экономике, в то же самое время сыграв и положительную роль, потому что заставили правительство изменить отноше-ния с Западом с либеральных на прагматичные, а экономику — с ресурсной на перерабатываю-щую. В качестве трамплина для перемен сфор-мировались, как обычно в кризисные периоды, конкурентные преимущества для отечествен-ных производителей за счет двукратного паде-ния курса рубля.

Таким образом, за 25 лет новой России наше правительство, наконец, выдвинуло в качестве своей стратегической цели импортозамещение. В качестве модератора работ по насосному обо-рудованию Минпромторгом России была опреде-лена Российская ассоциация производителей на-сосов. Ассоциация подготовила программу им-портозамещения и приступила под руководством Министерства и совместно с основными потре-бителями к ее реализации. Программа импорто-замещения является многоплановой, долгосроч-

ной и включает в себя целый комплекс работ — от создания правовых и нормативно-технических документов до решения научно-технических, производственных и финансово-экономических задач. При этом следует отметить, что программа ни в коем случае не предполагает самоизоляции России, напротив, способствует здоровой, немо-нопольной конкуренции с западными участника-ми рынка насосов. Также мы дорожим членством западных компаний в РАПН и всячески привет-ствуем локализацию их производств в России.

Итоги PCVEXPO’2015

Указанные выше направления нашли свое отражение в прошедшей выставке PVEXPO’2015. Организаторы приложили огромные усилия для привлечения новой целевой аудитории, заинте-ресованной в закупке отечественного насосно-го оборудования, 54 % посетителей пришли на выставку впервые. Вопреки прогнозам, основы-вающимся на данных по другим выставкам, на-сосная часть PCVEXPO’2015 сохранила свои объе-мы, а по количеству участников выросла на 10 %. Рекламная кампания по привлечению профес-сиональных посетителей дала хорошие резуль-таты: среди посетителей PCVEXPO’2015 были ге-неральные директора, главные инженеры, глав-ные энергетики, главные механики, начальники отделов снабжения таких крупнейших потреби-телей оборудования, как МОЭК, Лукойл Инжини-ринг, ЕвроХим, Газпромнефть, Северсталь, ГКНПЦ им. Хруничева, Мосводоканал и др. Обширная де-ловая программа дополнила экспозицию, собрав большое количество участников: научно-техни-ческая конференция Ecopump-RUS’2015 — более 100 чел., а научно-практический семинар «Уплот-нения и герметизация насосов» — более 70 чел. Были рассмотрены актуальные вопросы россий-ского насосостроения — от стандартизации до присуждения национальной премии «Живой по-ток» в номинациях «Импортозамещение» и «Лока-лизация производства в России».

PCVEXPO’2016. Планы и прогнозы

Лейтмотивом PCVEXPO’2016, как и в прошлом году, остаются, наряду с инновациями в различ-ных областях данного оборудования, импортоза-мещение и локализация производства в России, © Солодченков Е. В., 2016




с той разницей, что будет усилено участие орга-нов государственной власти и потребителей про-дукции. Масштабная рекламная кампания выстав-ки привлечет более 5000 целевых посетителей, принимающих решение о закупках. Такая кам-пания реализуется на отраслевых интернет-пор-талах, в специализированных журналах, а также проводятся рассылки с приглашениями по элек-тронной почте. Запланировано персональное приглашение руководителей крупнейших ком-паний-потребителей, продвижение выставки на конференциях и других выставках по энергетике, химии, нефтедобыче и нефтепереработке, метал-лургии, добыче полезных ископаемых, ЖКХ.

Деловая программа — интеллектуальная ос-нова, стержень выставки — будет включать сле-дующие мероприятия:

• Международную научно-техническую кон-ференцию «Ecopump-RUS’2016. Энергоэффектив-ность и инновации в насосостроении. Импорто-замещение и локализация производства в Рос-сии», которая пройдет 26 октября с. г.

• Научно-практический семинар «Электро-двигатели и частотное регулирование», который состоится 27 октября с. г.

• Заседание ТК 245 «Насосы», на котором бу-дут рассмотрены состояние и план работы по со-зданию базы стандартов для выпуска современ-ных высокоэффективных насосов, пройдет 25 ок-тября с. г.

Участие в выставке и Деловой программе по-зволит достичь множества бизнес-целей:

— найти новых клиентов; — встретиться с заказчиками и партнерами; — повысить узнаваемость бренда компании

и продукции; — продемонстрировать новинки оборудова-

ния; — изучить деловую активность конкурентов; — изучить спрос на новый продукт или услугу; — выйти на новый рынок; — расширить географию продаж; — привлечь внимание прессы.

Как принять правильное решение об участии в выставке в нынешних условиях?

Для принятия подобного решения, как нам кажется, надо иметь в виду следующие обстоя-тельства:

1. Любой кризис является точкой роста для активной части участников рынка.

2. Участие компании в традиционных массо-вых мероприятиях, таких как семинары, конфе-

ренции и др., рассматривается как ее устойчи-вость, успешность и надежность в глазах участ-ников рынка, отсутствие — с точностью до на-оборот.

3. В условиях кризиса экономить необходи-мо, однако экономия должна осуществляться за счет внутренних резервов компании, а не за счет внешних элементов продвижения на рынке, та-ких как выставки, реклама и прочее.

4. Чтобы преуспеть в импортозамещении, не-обходимо участвовать во всех массовых меро-приятиях отрасли, не допуская, чтобы западный импорт был заменен восточным.

Как сделать более результативным участие компании в выставке?

Возможно, наши соображения покажутся давно известными и уже используемыми, однако эффект от их применения будет зависеть от чет-кости, комплексности и контроля за использова-нием.

1. Руководством компании должен быть определен работник, ответственный за организа-цию и проведение выставки, в том числе за рабо-ту на стенде и участие в деловой программе.

2. Ответственный за проведение выставки за-благовременно, исходя из выбранных целей и за-дач, составляет план подготовки и проведения выставки, включающий сроки и исполнителей, и утверждает его у руководства компании.

3. Для достижения наибольшего эффекта от участия в выставке план должен предусматри-вать активное участие специалистов компании во всех мероприятиях деловой программы, при этом может быть достигнута и другая цель — обу-чение и повышение квалификации работников компании.

4. План должен предусматривать приглаше-ние на стенд VIP-персон от основных потребите-лей и переговоры с руководителями и специали-стами компании.

5. Изучение представленных на выставке кон-курентов, их продукции также должно быть преду-смотрено планом.

6. Организация работы на стенде является важным элементом выставки. Стендисты должны быть профессионально компетентны. При необ-ходимости должны организовывать встречи по-сетителей с ведущими специалистами компании.

7. Все работники стенда от открытия до за-крытия выставки должны активно работать по всем перечисленным направлениям, а не сидеть в ожидании посетителей.

8. По завершении выставки должен быть со-ставлен отчет о ее проведении, содержащий вы-воды и рекомендации по использованию полу-ченной информации в компании.

Если организовать работу таким образом, то, по нашему мнению, эффект будет гарантирован. PCVEXPO — это уникальная, профессиональная, специализированная выставка. Площадок, где экспонируется насосное оборудование, много, но вряд ли вы найдете на любой из них возмож-ность комплексного решения вопросов, которые рассматриваются здесь. На сегодняшний день российские потребители уделяют большое вни-мание нашей выставке. Здесь будут присутство-вать нефтяники, химики, металлурги, энергетики, представителя ЖКХ и других отраслей промыш-ленности. Выбор за вами, если вы еще не опре-делились.

Со своей стороны организаторы сделают все возможное и невозможное, чтобы в год 25-летия РАПН юбилейная, 15-я выставка PCVEXPO’2016 прошла, как всегда, успешно и помогла нашим производителям насосного оборудования благо-получно пережить это непростое время. Для это-го предлагается максимально льготный режим участия в выставке:

экспозиционные площади: — скидка 10 % на предоставляемые площади

для членов РАПН; — возможность льготного участия на коллек-

тивном стенде РАПН для малых и средних пред-приятий;

деловая программа: — льготное участие в платных мероприятиях

для экспонентов выставки и членов РАПН (в об-щей сложности скидки — до 60 %);

— в остальных мероприятиях участие явля-ется бесплатным.

До встречи в МВЦ «Крокус Экспо» с 25 по 27 октября 2016 г.*

* По вопросам участия в выставке PCVEXPO’2016 обращайтесь в Московский офис компании ITE:

тел.: +7 (499) 750 08 [email protected]

По вопросам участия в деловой программе обра-щайтесь в РАПН:

тел./факс: +7 (495) 982 51 [email protected]://rpma.org.ru

INTERNATIONAL PCVEXPO EXHIBITION — ALWAYS THE MAIN INDUSTRY EVENT OF YEAR, AND ESPECIALLY THE15TH ANNIVERSARY EXHIBITION IN NEW REALITIES

E. V. SolodchenkovExecutive Director of RPMA (Moscow, Russia), [email protected]

Abstract. The exhibition has become a major industry event for the participants of the pump mar-ket, where you can see the most advanced products and discuss any issues related to its construc-tion, operation and development at a professional level.Keywords: International Exhibition, pump equipment, Russian Pump Manufacturers Association.

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ И УСЛОВИЯ ПУБЛИКАЦИИ РУКОПИСЕЙManuscript formatting requirements and terms of publishing

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ И УСЛОВИЯ ПУБЛИКАЦИИ РУКОПИСЕЙManuscript formatting requirements and terms of publishing


1. Журнал «Насосы. Турбины. Системы» публикует оригинальные статьи по проблемам разработки, производства и эксплуатации энергетических систем. Периодичность журнала — 4 номера в год. Подписной индекс по Объединенному каталогу «Пресса России» — 43739.

2. Рукописи статей рецензируются. Тематика предоставляемых статей должна соответ-ствовать рубрикатору журнала:

· информационно-аналитическая информация;· научные исследования и научно-технические разработки в области создания и примене-

ния инновационных технологий;· математическое моделирование рабочих процессов и проектирование современных на-

сосов, турбин, гидромашин, гидропневмоагрегатов и энергосистем на их основе;· сертификация отраслевого оборудования;· научно-технические аспекты безопасности сложных технических систем;· интеллектуальная собственность.Предполагаемый раздел рубрикатора указывается авторами.3. Статья должна содержать:· индекс УДК;· название (на русском и английском языках);· инициалы и фамилии авторов (на русском и английском языках);· сведения об авторах (ученая степень, ученое звание, должность, полное название орга-

низации, в которой выполнена работа, электронный адрес);· аннотацию (на русском и английском языках), которая должна в сжатой форме отражать

содержание статьи. Логически аннотация, как и сам текст статьи, делится на три части — по-становка задачи (состояние проблемы), результаты и выводы. Каждая из этих частей в краткой форме передает содержание соответствующих частей текста — введения, основного текста и выводов. Рекомендуемый объем аннотации — 10 строк, кегль шрифта — 14 pt;

· ключевые слова (на русском и английском языках);· текст статьи;· список литературы.Заголовок статьи должен полностью отражать ее содержание, а основной текст желатель-

но структурировать с использованием подзаголовков: Введение, Теоретический анализ, Ме-тодика, Экспериментальная часть, Результаты, Литература.

Материалы статьи предоставляются в двух файлах форматов MS Word и Adobe PDF. Фор-мат бумаги — А4 (книжный). Гарнитура — Times New Roman, кегль шрифта — 14 pt. Между-строчный интервал — одинарный. Поля — 25 мм со всех сторон. Текст форматируется в одну колонку без переносов. Объем рукописи статьи — 8—10 страниц.

4. Рисунки должны включаться в текст статьи только через меню «Вставка» → «Рисунок» → «Из файла». Рисунки могут быть цветными или черно-белыми, толщина линий не менее 0,5 pt. Размер рисунка не должен превышать 150×150 мм. Буквенные и цифровые обозначения на ри-сунках, вставленных в статью, по начертанию и размеру должны соответствовать обозначени-ям в тексте статьи. Все иллюстрации сопровождаются подрисуночными подписями, включаю-щими в себя номер, название иллюстрации и при необходимости — условные обозначения.

5. Рисунки предоставляются также в отдельных файлах форматов .tif, .jpg, c разрешением 300 dpi. Подрисуночные подписи не должны содержаться в графических файлах.

6. Формулы должны выполняться только во встроенном редакторе формул MS Equation Editor. Формулы необходимо набирать прямым шрифтом (основной кегль — 14 pt) и нумеро-вать справа в круглых скобках. Длина формулы вместе с номером не должна превышать 80 мм.

7. Литературные ссылки по тексту статьи необходимо указывать в квадратных скобках, ну-мерация литературы должна быть произведена в порядке упоминания.

ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ И УСЛОВИЯ ПУБЛИКАЦИИ РУКОПИСЕЙ

MANUSCRIPT FORMATTING REQUIREMENTS AND TERMS OF PUBLISHING

8. В отдельном файле должны содержаться сведения об авторах (анкета авторов публика-ции).

9. Файлы со статьей, сведениями об авторах и иллюстрациями должны быть помещены в архив (архиваторы WinZip, WinRar, 7-Zip с максимальной степенью сжатия) и отправлены на электронный адрес редакции. Письма, содержащие самораспаковывающиеся архивы, уничто-жаются системой безопасности автоматически. Также автоматически удаляются письма с пу-стым телом.

10. Почтовым отправлением (только простой бандеролью) или в адрес редакции (394052, Воронеж, ул. Острогожская, 107) предоставляются:

· анкета авторов публикации в твердой копии;· идентичный электронной версии отпечатанный экземпляр статьи (статья должна быть

подписана авторами);· носители информации (CD, DVD, USB-флеш-накопители, облачные сервисы);· рисунки на отдельных листах (на обороте каждого листа указывается номер и название

иллюстрации);· разрешение на публикацию (письмо или экспертное заключение о возможности откры-

того опубликования, заверенное печатью организации и подписью ответственного лица);· копия абонемента на журнал (если оформлена подписка).11. Рукописи, в которых не соблюдены данные требования, не рассматриваются. Рукописи

не возвращаются.12. Редакция не берет на себя обязанность объяснять авторам нетехнические причины

отклонения статей. С журналом сотрудничают высококвалифицированные рецензенты из ве-дущих научных центров России, и их заключение является определяющим для судьбы статьи.

13. Предпочтение в очередности публикации статей отдается авторам, оформившим под-писку на журнал.

14. Авторский коллектив выкупает обязательный экземпляр журнала по цене 600 рублей за экземпляр (почтовая доставка обязательного авторского экземпляра журнала заказной бандеролью по адресу, указанному в анкете, включена в стоимость оргвзноса). Авторы имеют право заказать дополнительные экземпляры по указанной стоимости.

15. Заявки на публикацию статей представляются в редакцию по электронной почте [email protected].

Анкета авторов публикации*1 Фамилия, имя, отчество2 Ученая степень3 Ученое звание4 Должность5 Почтовый адрес (с индексом),

телефон (с кодом города)6 Адрес электронной почты7 Полное название организации8 Подписной период (если оформлена подписка)

1…8 Сведения о соавторе1…8 ………………………

9 Предполагаемый раздел рубрикатора10 Согласие на опубликование «за счет авторов»

(с подписью авторов в твердой копии анкеты)11 Почтовый адрес (с индексом) рассылки обяза-

тельного экземпляра журнала12 Количество экземпляров,

заказанных дополнительно

* Если статья представлена авторским коллективом, то пункты 1—8 повторяются и сведения приводятся о каждом соавторе.

ПОДПИСКА-2016



отделениях по Объединенному каталогу Пресса России

«Подписка-2016»

Подписной индекс — 43739

Нефть и газ – это главные ресурсы страны. Но для того, чтобы они из категории полезных ископаемых пе-решли в категорию сырья, необходимо обеспечить по-требности в транспортировке для переработки нефтега-зопродуктов.

С 2003 г. в ВГТУ открыта кафедра «Нефтегазовое оборудование и транспортировка» (НГОТ), ведущая подготовку по направлению 131000 Нефтегазовое дело, профиль – Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продуктов перера-ботки.

Актуальность этого направления диктуется доми-нирующим влиянием состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса на уровень жизни в нашей стране. Запасы нефти и газа – основных слагае-мых этого комплекса – достаточно велики, и выпускники могут быть твердо уверены в настоящем и будущем сво-ей профессии, которая является не только престижной, но и высокооплачиваемой.

Учебный процесс осуществляется опытными уче-ными и производственниками. Подобный подход к фор-мированию кадров способствует глубокой интеграции учебного процесса и производства. Индивидуально-профессиональная подготовка студентов проводится на рабочих местах в отделах и цехах ОАО «Турбонасос» и ДОАО «Воронежгазпроектинжиниринг».

Уникальное оборудование и стенды предоставлены студентам для проведения лабораторного практикума. Дипломные проекты выполняются по тематике реальных изделий, что помогает молодым специалистам входить в рабочий режим предприятия после гарантированного трудоустройства. Лучшие из выпускников имеют воз-можность продолжить обучение в аспирантуре.

Основные дисциплины учебного плана:- основы нефтегазопромыслового дела, - проектирование, сооружение и эксплуатация неф-

тегазопроводов,- гидравлика и нефтегазовая гидротехника, - термодинамика и теплопередача, - физика пласта, - машины и оборудование газонефтепроводов, - энергопривод насосов и компрессоров, - основы проектирования трубопроводных систем, - диагностика оборудования газонефтепроводов, - эксплуатация газонефтепроводов, - математическое моделирование процессов транс-

портирования нефти и газа. Предусмотрено обучение по индивидуальным пла-

нам с учетом специфики будущей работы на конкретном предприятии.

Формы обучения:• госбюджетная – дневная;• на платной основе с физическими лицами и по

контракту с юридическими лицами. Стоимость обучения (данные 2015 г.):

• дневная - 4 года - стоимость 67 060 руб. в год,• заочная - стоимость 26 400 руб. в год.При успешной учебе (на «хорошо» и «отлично») сту-

денты, обучающиеся на платной основе, могут быть пе-реведены на госбюджетную форму при наличии вакан-сий.

Прием документов на дневное отделение:с 20 июня по 25 июля (при наличии ЕГЭ по всем всту-

пительным экзаменам).Поступающие, не имеющие результатов ЕГЭ, долж-

ны до 5 июля зарегистрироваться на сдачу ЕГЭ в прием-ной комиссии ВГТУ.

Прием документов на заочное отделение:с 20 июня по 12 августа.Поступающие, не имеющие результатов ЕГЭ, долж-

ны до 5 июля зарегистрироваться на сдачу ЕГЭ в прием-ной комиссии ВГТУ.

Сдача экзаменов:Русский языкМатематикаФизикаАбитуриенты сдают экзамен в форме ЕГЭ или пред-

ставляют результаты ЕГЭ по 3 предметам: математике, физике и русскому языку.

Медалисты имеют возможность быть зачисленными по результатам ЕГЭ по математике.

За дополнительной информацией обращаться в приемную комиссию ВГТУ или на сайт университета www.portal.vorstu.ru.

Прием проводится по личному заявлению граждан.При подаче заявления поступающие предъявляют

документы, удостоверяющие личность и гражданство (паспорт, военный билет или приписное свидетельство), а также подлинник или копию документа об образова-нии. К заявлению о приеме в ВГТУ поступающий прила-гает:

• документ об образовании или его ксерокопию, за-веренную нотариально или в приемной комиссии ВГТУ;

• свидетельство о результатах сдачи ЕГЭ или его ксе-рокопию, заверенную нотариально или в приемной ко-миссии ВГТУ;

• 6 фото размером 3х4 см;• медицинскую справку по форме 086-У.

АДРЕС ПРИЕМНОЙ КОМИССИИ: 394026, г. Воронеж, Московский пр-т, 14.Тел. +7 (473) 246-40-67.АДРЕС КАФЕДРЫ НГОТ:г. Воронеж, ул. Плехановская, 11, каб. 109.Тел. +7 (473) 252-34-52.

ФГБОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт машиностроения и аэрокосмической техники


Date post:	13-Jul-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	12 times
Download:	0 times

УЧРЕДИТЕЛЬ ЖУРНАЛА ООО «ВОРОНЕЖСКАЯ...

Documents