Рассмотрен вариант улучшения тяговых характеристик четырехкамерной жидкостной двигательной установки РД-108, установленной на второй ступени ракеты-носителя «Союз-2». Модернизация её осуществляется путем использования в её конструкции общего неподвижного высотного круглого насадка, охватывающего обечайки всех штатных 4-х круглых реактивных сопел. Благодаря последовательному включению в работу сначала круглых сопел, а затем общего круглого насадка высотная характеристика такого комбинированного сопла близка к характеристике сопла с идеально регулируемой высотностью. При старте ракеты с Земли атмосферное давление передается через кольцевую щель внутрь общего круглого насадка. В результате этого происходит принудительный отрыв струи газа от срезов круглых сопел, вследствие чего общий насадок как бы отсутствует (не включается в работу), и сопла работают на штатном режиме. При полете в верхних слоях атмосферы и снижении внешнего давления скачок уплотнения уходит с кромок сопел на срез общего насадка и сопла с общим круглым насадком вновь работают на режимах близких к расчетному.

Проанализирован случай, когда высотный круглый насадок присоединяется к существующим 4-м штатным соплам двигателя РД-108. Проведены расчёты течения газа в таких соплах с кольцевой щелью в месте присоединения общего круглого насадка к соплам. Представлены результаты расчёта изменения тяги (удельного импульса) двигателя по высоте полёта ("земля-пустота"). С использованием уравнений Навье – Стокса проведены расчёты течения потока вязкого газа в трактах круглых сопел с изломом контура. Представлены результаты расчёта тяговых характеристик двигателя по высоте полёта ракеты. Показано, что установка к земному соплу высотного насадка и организация в месте излома узкой кольцевой щели улучшают тяговые его характеристики. Определены выигрыш тяги в соплах с общим насадком (+1,4 %) и утечка продуктов сгорания через кольцевую щель, которая составила 0,2 % от общего расхода горячего газа. Установлено, что при сокращении длины сверхзвуковой части сопла двигателя РД-108 до сечения с давлением ра = 0,6 атм. тяговые характеристики сопла с изломом контура при работе его в атмосферных условиях существенно улучшаются (прирост тяги составляет ΔР=3,2%, а на высоте – ΔР = 1,26 ÷ 1,40 % за счет установки высотного насадка). Предложено два способа регулирования высотности сопла: а) за счет использования щелевого сопла с изломом контура; б) за счет установки к соплу высотного насадка, но без организации в месте излома кольцевой щели и при этом контур насадка смещен во внешнюю сторону.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, сопло, насадок, щель, сопловой блок, число Маха, тяга, удельный импульс, масса, расход, давление.

Семенов Василий Васильевич (Москва, Россия) – доктор технических наук, профессор, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), vasily_semenov@mail.ru.

Иванов Игорь Эдуардович (Москва, Россия) – кандидат физико-математических наук, доцент, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), ivanovmai@gmail.com.

Крюков Игорь Анатольевич (Москва, Россия) – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), ikryukov@gmail.com.

Федоров Владимир Владимирович (Москва, Россия) – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет).

1. Шустов И.Г. Двигатели1944–2000: авиационные, ракетные, морские и наземные / ООО«АКС-Конверсалт». – М., 2000. – C. 259–261. 

2. Сопловой блок с круглым насадком: пат. РФ119816 / Семенов В.В., Чванов В.К., Федоров В.В., Иванов И.Э.; заявитель и патентообладатель  Моск.  авиац.  ин-т (нац. исслед. ун-т). –  Опубл. 27.08.2012, Бюл. №24. 

3. Анализ возможностей повышения тяговооруженности двигателя 14Д21 за счет использования сопел с регулируемой высотностью / В.В. Семенов, И.Э. Иванов, И.А. Крюков, В.В. Федоров, В.К. Старков // Тр.  НПО«Энергомаш» им.  акад.  В.П. Глушко. – 2012. –  №29.  – С. 55–69. 

4. Расчет тяговых характеристик сопла с высотной компенсацией / В.В. Семенов, И.Э. Иванов, И.А. Крюков, П.Г. Иванов // Известия вузов. Авиационная техника. – 2008. – №3. – С. 37–40. 

5. Семенов В.В., Иванов И.Э., Крюков И.А. Регулирование высотности сопла с большой степенью расширения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического  университета. Аэрокосмическая техника. – 2015. – №40. – С. 5–21. 

6. Талалаев А.А. Перспективные подходы к созданию сопловых блоков двигателей для одноступенчатых  ракет //  Известия вузов. Авиационная техника. – 2006. – №3. – С. 42–45. 

7. Семенов В.В., Талалаев А.А. Оценка эффективности использования выходного устройства с высотной компенсацией в ракетном двигателе // Авиакосмическая техника и технология. – 2007. – №2. – С. 31–35. 

8. Иванов И.Э., Крюков И.А. Квазимонотонный метод повышенного порядка точности для расчета внутренних и струйных течений невязкого газа // Математическое моделирование. – 1996. – Т. 8, №6. – С. 47–55. 

9. Численное  решение  многомерных  задач  газовой  динамики / С.К. Годунов, А.В. Забродин, М.Я. Иванов, А.Н. Крайко, Г.П. Прокопов. – М.: Наука, 1976. – 400 с. 

10. Глушко Г.С., Иванов И.Э., Крюков И.А. Метод расчета турбулентных сверхзвуковых течений // Математическое  моделирование. – 2009. – Т. 21, №12. – С. 103–121.

При проливке струйно-струйных форсунок наблюдается несоответствие между измеренными и требуемыми по ТУ режимными параметрами. На наш взгляд, это несоответствие связано с отклонением геометрических характеристик от номинальных значений в процессе изготовления форсунок, с одной стороны, и геометрическими параметрами проходных сечений и расположением датчиковой аппаратуры на проливочном стенде, с другой стороны. В данной работе проводится численное моделирование течения в полости струйно-струйной жидкостной форсунки с использованием модуля Fluent программного пакета ANSYS v.13.0.0. Параметры потока определяются в процессе решения трехмерной стационарной гидродинамической задачи. В пристеночной области использованы масштабируемые пристеночные функции с применением модифицированной k-ε модели турбулентности, что позволило сократить время счета. Для дискретизации основных уравнений использована схема второго порядка против потока. Решение системы дискретных аналогов производилось с использованием алгоритма SIMPLE. Приведены зависимости избыточных полных давлений по линиям окислителя и горючего от таких геометрических характеристик, как шероховатость, угол между потоками окислителя и горючего, радиус скругления швов и диаметр отверстия по линии горючего. Полученные результаты могут быть использованы при разработке техпроцесса изготовления новых и доработке отбракованных форсунок.

Ключевые слова: струйно-струйная форсунка, технология изготовления, проливка, шероховатость, радиус скругления, угол потока, диаметр отверстия, полное давление.

Матюнин Олег Олегович (Пермь, Россия) – ассистент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, matoleg@gmail.com.

Бачев Николай Леонидович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, bnl54@yandex.ru.

Бульбович Роман Васильевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, dekan_akf@pstu.ru.

1. A new-eddy-viscosity model for high Reynolds number turbulent flows – model development and validation / T.H. Shih, W.W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, J. Zhu // Computers Fluids. – 1995. – №24 (3). – P. 227–238. 

2. Kim S.E., Choudhury D., Patel B. Computations of Complex Turbulent Flows Using the CommercialCode Fluent // Modeling Complex Turbulent Flows. ICASE/LaRC Interdisciplinary Series in Science and Engineering. – 1999. – Vol. 7. – P. 259–276. 

3. Reynolds W.C.  Fundamentals  of turbulence for turbulence modeling and simulation // Lecture Notes for Von Karman Institute Agard. – 1987. – Report № 755. 

4. Launder B.E., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1974. – №3. – Р. 269–289.

5. Численное моделирование рабочего процесса в камере сгорания жидкостных ракетных двигателей с дожиганием генераторного газа при сверхкритических параметрах / Н.Л. Бачев, О.О. Матюнин, А.А. Козлов, Н.Ю. Бачева // Вестник МАИ. – 2011. – Т. 18, №2. – C. 108–116. 

6. Barth T.J.,  Jespersen D.  The  design and application of upwind schemes on unstructured meshes // AIAA 27th Aerospace Sciences Meeting. – Reno, 1989. – Technical report AIAA-89-0366.

7. Бачев Н.Л., Бетинская О.А., Бульбович Р.В. Стационарная трехмерная модель горения топливных газов // Вестник Пермского национального  исследовательского  политехнического  университета.  Аэрокосмическая техника. – 2015. – №41. – С. 103–119. 

8. Патанкар С.  Численные  методы  решения  задач  теплообмена и динамики жидкости. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с. 

9. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование /  Е.В.  Лебединский,  Г.П.  Калмыков [и  др.];  под  ред. А.С. Коротаева. − М.: Машиностроение, 2008. – 511 с. 

10. Chorin A.J.  Numerical  solution of Navier-Stokes equations // Mathematics of Computation. – 1968. – №22. – P. 745–762.

Рассматриваются методы расчета и параметризованного представления характеристик решеток профилей, лопаточных венцов, многоступенчатых компрессоров в составе ГТД и ГТУ. Показано, что такие модели требуются при проектировании компрессоров и анализе изменения их характеристик в эксплуатации. При этом управление ограниченным числом параметров позволяет проводить оптимизацию (подбор геометрии лопаточных венцов, проточной части, кинематических параметров – частоты вращения, скорости рабочего тела). Для получения параметризованных моделей может быть использовано предположение о качественном подобии закономерностей протекания аэродинамических характеристик решеток профилей, ступеней и многоступенчатых компрессоров (каскадов). Показано, что используемые в настоящее время известные эмпирические зависимости, полученные на основании обобщения большого числа экспериментов, могут быть уточнены с учетом новых представлений о рабочих процессах, происходящих в лопаточных машинах. Дополнительно могут быть использованы результаты численных экспериментов, с применением 3DCAD/CAE-моделирования. Приведена оригинальная методика, предложенная авторами. В ней используется обнаруженная связь градиента наклона линейной части характеристики решеток профилей и соответствующей эквивалентной решетки тонких пластин, предложенная эмпирическая зависимость для последней, предложенный метод номограмм, зависимость, альтернативная универсальной кривой Ольштейна Л.Е. и Процерова В.Г., поправки, учитывающие скорость натекания, «просадку» осевой скорости, диагональность, закрутку на входе. Показано, как строится граница помпажа и линия номинальных режимов (не только на характеристике венца и ступени, но и многоступенчатого компрессора). Предложенный метод позволяет получать универсальную обезразмеренную характеристику компрессоров, включая универсальную границу помпажа, экстраполировать напорные ветви, строить новые, уточнять границу помпажа при экспериментах. Разработанные методы использованы в созданной авторами системе имитационного повенцового моделирования компрессоров различных типов VENEC.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, компрессор, проточная часть, термодинамические и газодинамические параметры.

Кривошеев Игорь Александрович (Уфа, Россия) – доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, krivosh@sci.ugatu.ac.ru.

Рожков Кирилл Евгеньевич (Уфа, Россия) – ассистент, Уфимский государственный авиационный технический университет, rke85@mail.ru.

Симонов Николай Борисович (Уфа, Россия) – аспирант, Уфимский государственный авиационный технический университет, sventigo@yandex.ru.

1. Расчетная  программа  предварительного  проектирования  осевых  компрессоров  и  турбин AXIAL [Электронный  ресурс]. – URL: http://conceptsnrec.ru/software/axial (дата обращения: 01.11.2015). 

2. Система имитационного моделирования COMPRESSOR: св-во №2009612688 / Д.А. Ахмедзянов, А.Б. Козловская, И.А. Кривошеев. – М.: Роспатент, 2009. 

3. Емин О.Н., Карасев В.Н., Ржавин Ю.А. Выбор параметров и газодинамический расчет осевых компрессоров и турбин авиационных ГТД: учеб. пособие. – М.: Дипак, 2003. – 156 с. 

4. Проектный термогазодинамический расчет основных параметров авиационных  лопаточных  машин /  А.Н.  Белоусов,  Н.Ф.  Мусаткин, В.М. Радько,  В.С.  Кузьмичёв. –  Самара:  Изд-во  Самар.  гос.  аэрокосм. ун-та, 2006. – 316 с. 

5. Хауэлл А.Р. Газодинамика осевого компрессора // Развитие газовых турбин: сб. стат.: пер. с англ. / под ред. В.Л. Александрова. – М.: Изд-во БНТИМАП, 1947. – С. 42–56. 

6. Ольштейн Л.Е., Процеров В.Г. Метод расчета осевого компрессора по данным продувок плоских компрессорных решеток // Тр. ЦИАМ. – 1948. – №150. – С. 1–60. 

7. Обобщение результатов продувок плоских компрессорных решеток  методом  регрессионного  анализа /  П.П.  Казанчан,  Б.В.  Караваев, В.И. Серков, В.Н. Шишкин // Тр. ЦИАМ. – 1975. – №679. – С. 1–64. 

8. Бунимович А.И., СвятогоровA.A. Аэродинамические характеристики плоских компрессорных решеток при большой дозвуковой скорости // Лопаточные машины и струйные аппараты: сб. ст. – М.: Машиностроение, 1967. – Вып. 2. – С. 5–35. 

9. Бунимович А.И.,  СвятогоровA.A. Обобщение  результатов  исследования плоских компрессорных решеток при дозвуковой скорости // Лопаточные машины и струйные аппараты: сб. ст. – М.: Машинострое-ние, 1967. – Вып. 2. – С. 36–66. 

10. Система  имитационного  моделирования VENEC:  св-во №2012612817 / К.Е. Рожков, И.А. Кривошеев. – М.: Роспатент, 2012. 

11. Кривошеев И.А., Рожков К.Е. Развитие методов анализа и расчета характеристик решеток профилей осевых компрессоров // Вестник ИрГТУ. – 2012. – №2(61). – С. 26–32. 

Рассматривается актуальная проблема численного моделирования процессов температурной стратификации в квазиизотермическом вихревом регуляторе при дросселировании природного газа. Выполнено прямое численное моделирование движения потока газа по тракту вихревой трубы в пакете прикладных программ вычислительной гидродинамики SolidWorks Flow Simulation. Для проверки адекватности решения проведена верификация результатов численного моделирования с экспериментально полученными характеристиками вихревого регулятора давления магистрального газа. Представлены уравнения математической модели течения газа, позволяющие описать процессы, протекающие в проточной части устройства, реализующего процесс дросселирования давления газа. Визуализировано направление течения потоков газа в наружном и внутренних контурах квазиизотермического вихревого регулятора давления и определена структура и характер взаимодействия вихревых потоков. Исследованы процессы течения высоконапорных вихревых потоков в проточном тракте изотермического регулятора с учетом переменной геометрии и взаимовлияния элементов. Показано влияние периферийных трубок перепуска, перебрасывающих часть «горячего» газа в задиафрагменную зону проточной части, на температурные характеристики регулятора давления. Приведены результаты численного моделирования и рассмотрены параметры выходного потока газа для различных вариантов конструктивного исполнения регулятора давления газа.

Ключевые слова: вихревая труба, вихревой регулятор, численное моделирование, дросселирование, природный газ, математическая модель, газодинамика.

Ахметов Юрий Мавлютович (Уфа, Россия) – кандидат технических наук, доцент, Уфимский государственный авиационный технический университет, avp37@bk.ru.

Калимуллин Радик Рифкатович (Уфа, Россия) – кандидат технических наук, старший преподаватель, Уфимский государственный авиационный технический университет, radik_kalimullin@bk.ru.

Яминова Елена Маратовна (Уфа, Россия) – инженер, Уфимский государственный авиационный технический университет, elenagm43@mail.ru.

1. Ионин А.А. Газоснабжение. – М.: Стройиздат, 1989. – 439 с.

2. Гурин С.В., Соловьев А.А. Исследование возможности получения изотермического процесса при дросселировании в вихревом регуляторе давления // Вестник УГАТУ. – 2006. – Т. 8, № 1(17). – С. 3–6.

3. Меркулов А.И. Вихревой эффект и его применение в технике. – М.: Машиностроение, 1969. – 180 с.

4. Разработка, изготовление и поставка опытного образца изотермического регулятора давления для редуцирования на ГРС без подогрева газа: техн. отчет по дог. № 489 от 16.07.02 (I этап) / Ю.М. Ахметов, А.Ф. Набиуллин, В.А. Ломоносов [и др.]; ОАО «НИИТ». – Уфа, 2002.

5. Использование особенностей вихревых течений для получения квазиизотермического процесса дроселирования давления природного газа / А.М. Русак, В.Л. Юрьев, Ю.М. Ахметов, В.А. Целищев, П.М. Кармацкий, С.В. Гурин // Проблемы машиноведения и критических технологий в машиностроительном комплексе РБ: сб. науч. тр. АН РБ. – Уфа: Гилем, 2005. – С. 37–49.

6. Газизов Р.К., Лукащук С.Ю., Соловьев А.А. Основы компьютерного моделирования технических систем: учеб. пособие / Уфим. гос. техн. ун-т. – Уфа, 2008. – 143 с.

7. Ахметов Ю.М., Зангиров Э.И., Свистунов А.В. Возможный механизм течения вихревых закрученных потоков // Тр. МФТИ. – 2014. – Т. 6, № 2. – С. 99–104.

8. Фузеева А.А., Пиралишвили Ш.А. Подобие в вихревых энергоразделителях Ранка // Инженерно-физический журнал. – 2006. – Т. 79, № 1. – С. 29–34.

9. Исследование влияния тормозного устройства на структуру потока и параметры изотермического вихревого регулятора давления / А.Ю. Ахметов [и др.] // Вестник УГАТУ. – 2011. – Т. 15, № 4(44). – C. 149–153.

10. Ахметов Ю.М., Пархимович А.Ю., Свистунов А.В. Численное моделирование процессов температурной стратификации в изотермическом вихревом регуляторе с внутренним смешением // Вестник УГАТУ. – 2010. – Т. 14, № 2(37). – С. 41–50.

11. Свистунов А.В., Чиндина А.А. Численное моделирование и визуализация процессов движения газа в изотермическом вихревом регуляторе давления // Мавлютовские чтения: сб. тр. рос. молодеж. науч. конф. / Уфим. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа, 2010. – С. 171–172. 

Представлена разработанная теоретическая компаундная математическая модель интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в прямых кольцевых каналах при односторонних комбинированных поверхностных турбулизаторах типа «выступ – канавка», основанная на семислойном математическом моделировании турбулентного пограничного слоя в пространствемежду турбулизаторами и использовании интегральных соотношений для турбулентных пограничных слоев для пространства в канавке. Были получены аналитические решения задачи об интенсифицированном теплообмене данного вида в зависимости от геометрических параметров канала и режимов течения теплоносителя. До настоящего времени теоретическое детерминирование интенсифицированного теплообмена в кольцевых каналах при односторонних комбинированных турбулизаторах типа «выступ – канавка» было предпринято в существующих теоретических работах также на основе интегральных соотношений для турбулентных пограничных слоев. Ранее разработанная теория удовлетворительно коррелирует с имеющимся эмпирическим материалом, однако в ней используются соответствующие дополнительные допущения, ограничивающие ее применение. Полученные результаты расчета в зависимости от вышеуказанных параметров удовлетворительно согласуются с существующими экспериментальными данными и имеют перед последними неоспоримое преимущество, поскольку допущения, принятые при их выводе, охватывают гораздо более широкий диапазон определяющих параметров, чем ограничения, имеющиеся в экспериментах. 

Ключевые слова: моделирование, теплообмен, интенсификация, турбулизатор, компаундный, пограничный слой, математический, модель.

Лобанов Игорь Евгеньевич (Москва, Россия) – доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), lloobbaannooff@live.ru.

1.  Эффективные  поверхности  теплообмена /  Э.К.  Калинин, Г.А. Дрейцер, И.З. Копп [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 408 с. 

2. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярхо С.А. Интенсификация теплообмена в каналах. – М.: Машиностроение, 1990. – 208 с.

3. Brauer H. Strömungawiceratand und Wārmeübergang bei Ringapalten mit rauhen Kernrohr // Atomkerneenergie. – 1969. – Vol. 4. – P. 152–166; Vol. 5. – P. 207–211. 

4. Wilkie D., Cowin M., Burnett F. Friction factor measurments in a rectangular channel wall of identical and nonidentical roughness // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1967. – Vol. 10, №5. – P. 610–622. 

5. Han J.C., Park J.S., Ibrahim M.Y. Measurement of heat transfer and pressure drop in rectangular channel with turbulence promotors. NASA Contactor Rep. 4015 / Texas AEM University College Station. – Texas, 1986. – 200 p. 

6. Han J.C., Park J.S. Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators // Int. J. Heat Mass Transfer. – 1988. – Vol. 31, №1. – P. 183–195. 

7. Теплообменная труба. А.с. №1374029 СССР. Кл. F28 F1/42. / М.П. Игнатьев, С.А. Ярхо, Г.А. Дрейцер, Ф.П. Кирпичников// Открытия, изобретения. – 1988. – №6. 

8. Лобанов И.Е. Математическое моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в каналах: дис. … д-ра техн. наук. – М., 2005. – 632 с. 

9. Дрейцер Г.А., Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Докл. АН. – 2005. – Т. 402, №2. – С. 184–188. 

10. Лобанов И.Е. Моделирование теплообмена в кольцевых каналах с турбулизаторами с помощью семислойной модели турбулентного пограничного  слоя // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: тр. XV шк.-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. РАН А.И. Леонтьева. – М.: Изд-во МЭИ, 2005. – T. 1. – С. 103–106. 

11. Лобанов И.Е. Обобщенная теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе на базе семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Альманах современной науки и образования // Грамота. – Тамбов, 2012. – №1(56). – С. 49–60. 

12. Лобанов И.Е. Теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в кольцевых каналах с турбулизаторами на внутренней трубе на базе семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Фундаментальные проблемы техники и технологии – Технология–2012: сб. тез. и аннотаций науч. докл. XV Междунар. науч.-техн. конф., г. Орел, 5–8 июня 2012. – М.; Орел: Спектр, 2012. – С. 227–228. 

13. Лобанов И.Е. Моделирование интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в плоских каналах с периодическими поверхностно расположенными турбулизаторами потока на базе семислойной модели турбулентного пограничного слоя с корреляцией с кольцевым каналом // Моск. науч. обозрение. – 2012. – №12, т. 1. – С. 11–19.

14. Лобанов И.Е. Общая теория интенсифицированного теплообмена при турбулентном течении в прямых кольцевых каналах с периодическими поверхностно расположенными на внутренней трубе турбулизаторами на базе семислойной модели турбулентного пограничного слоя // Тр. XXXIX академ. чтений по космонавтике, посвященных памяти акад. С.П. Королева и других выдающихся отечественных ученых–пионеров освоения космического пространства. Москва, 27–30 января 2015 г. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. – С. 385–386.

Рассматривается нелинейная феноменологическая модель термо-вязкоупругого поведения дисперсно-наполненных полимерных материалов с массовой долей наполнения твердыми частицами более 87 %. Для учета структурных изменений полимера в процессе нагружения, обусловленных отслоениями матрицы от частиц наполнителя, в модель введен структурный параметр, определяемый эволюционным уравнением. Для идентификации параметров модели проведены большие экспериментальные исследования высоконаполненного полимера с массовой долей связующего 10,5 %, наиболее часто используемого в конструкциях, в широком диапазоне температур (минус 70…120 °C) и относительных скоростей деформирования (10^-5..10⁰ с^-1), которые достигаются в изделиях в процессе эксплуатации. Так же получены экспериментальные зависимости величины объемных изменений, характеризующих изменение структуры материала в процессе его деформирования при температурах ±50, 20 °C и скоростях деформирования 10^-4, 10^-3, 10^-2 с^-1. Получена зависимость коэффициента Пуассона от величины объемных изменений и уровня деформаций. На основании экспериментальных данных определены все константы нелинейной вязкоупругой модели. С использованием метода конечных элементов в рамках малых упругих деформаций рассчитано напряженно-деформированное состояние прочно-скрепленных с корпусом изделий при действии температурной нагрузки. Показано, что с использованием нелинейной модели значения расчетных деформаций на свободной поверхности рассмотренных изделий возросли на 15-18 %, что существенно важно при назначении требований к механическим характеристикам полимера.

Ключевые слова: дисперсно-наполненные композиты, структурные повреждения, напряжение, деформация, объемные изменения.

Кочнева Наталья Михайловна (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, начальник отдела, АО «Научно-исследовательский институт полимерных материалов», niipm@pi.ccl.ru.

Гуляев Алексей Владимирович (Пермь, Россия) – начальник лаборатории, АО «Научно-исследовательский институт полимерных материалов», GulyaevAV@inbox.ru.

1. Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкоупругости. – М.: Наука, 1970. – 280 с. 

2. Структурные механизмы формирования механических свойств зернистых  полимерных  композитов /  В.В.  Мошев,  А.Л.  Свистков, О.К. Гаришин [и др.]. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1997. – 508 с. 

3. Farris R.J. The influence of vacuole formation on the response and failure of filled elastomers // J. Trans. Soc. Rheol. – 1968. – Vol. 12, №2. – P. 315–334. 

4. Naviere R. An extension of the time-temperature superposition principle to non-linear viscoelastic solids // Int. J. Solids and Structures. – 2006. – №43. – P. 5295–5306. 

5. Апетьян В.Э., Быков Д.Л. Анализ немонотонной зависимости напряжений от деформаций в вязкоупругих средах // Механика твердого тела. – 2004. – №4. – С. 106–115.

6. Быков Д.Л., Коновалов Д.Н. Использование структурных состав-ляющих  удельной  работы  внутренних  сил  для  оценки  прочности вязкоупругих  конструкций  в  зонах  локальной  концентрации  напря-жений // Механика твердого тела. – 2007. – №6. – С. 84–93. 

7. Кочнева Н.М.,  Гуляев А.В.  Применение  нелинейной  модели вязкоупругого  поведения  при  расчете  деформированного  состояния конструкций // Тр. ХХХIII Всерос. конф. по проблемам науки и техно-логий. – 2013. – Т. 2. – С. 51–53. 

8. Методика расчета и назначение режимов термостатирования изделий,  эксплуатирующихся  в  широком  температурном  диапазоне, для подтверждения длительных сроков их хранения/ Н.М. Кочнева, А.В.  Гуляев,  Н.Е.  Пшеницына,  С.В.  Ямалитдинова // Материалы XXXIV Всерос. конф., посвященной90-летию со дня рождения акад. В.П. Макеева. – М.: Изд-во РАН, 2014. – Т. 2. – С. 155–160. 

9. Кочнева Н.М., Гуляев А.В. Применение феноменологической, нелинейной модели для описания особенностей механического поведения дисперсно-высоконаполненных полимеров // Сб. тр. ХI Всерос. съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. – Казань: Изд-во Казан. федер. ун-та, 2015. – С. 2040–2042.

10. Адамов А.А.  Неизотермическое  деформирование  элементов конструкции  из  нелинейного  дисперсно-наполненного  эластомера // Механика композиционных материалов и конструкций. – 1999. – Т. 5, №2. – С. 101–107. 

11. Адамов А.А. К построению модели вязкоупругого поведения наполненных эластомеров с учетом структурных изменений // Исследование по механике материалов и конструкций. – Свердловск: Изд-во УрО АН СССР, 1988. – С. 4–6. 

12. Москвитин В.В.  Сопротивление  вязкоупругих  материалов (применительно к зарядам ракетных двигателей на твердом топливе). – М.: Наука, 1972. – 328 с. 

13. Слонимский Г.Л.,  Роговина Л.З.  Определение  механических характеристик полимерного материала по релаксации напряжения при постоянной деформации // Высокомолекулярные соединения. – 1964. – Т. 6, №4. – С. 620–623. 

14. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. – М.: Мир, 1975. – 541 с.

На основе математического анализа и разработанной компьютерной программы исследовано влияние эффективной концентрации поперечных связей в высокомолекулярном каучуке – полибутадиене – на предельные (разрывные напряжение и деформация) механические характеристики в условиях одноосного растяжения. Методом численного эксперимента получены соответствующие диаграммы растяжения при различных температурах и стандартной скорости деформирования. Построены огибающие точек разрыва. Огибающие точек разрыва, построенные в обоюдных логарифмических координатах, учитывают температурно-скоростную эквивалентность при деформировании образца полимерного материала и являются эквивалентными энергии механического разрушения. К сожалению, как обобщающий метод исследования этот метод до сих пор редко используется для установления искомых структурно-механических закономерностей.

Целью работы явились предварительный количественный анализ и численный эксперимент по исследованию влияния эффективной мольной концентрации поперечных связей, включающих их химическую и межмолекулярную (физическую) компоненты, на предельные характеристики 1, 4 – цис-полибутадиена с молекулярной массой 2 500 000, широко применяемого в современных рецептурах автомобильных и авиационных шин. Сшивающим агентом являлась сера в сочетании с ускорителем вулканизации (тиурамом-Д) и катализатором образования поперечных химических связей – оксидом цинка. Полученные закономерности структурно-механического поведения исследованного эластомера могут быть использованы в инженерной практике создания перспективных автомобильных и авиационных шин, применяемых в широком температурном диапазоне эксплуатации.

Ключевые слова: высокомолекулярный полибутадиен, трехмерно сшитый каучук, разрывные напряжение и деформация, огибающая точек разрыва.

Нуруллаев Эргаш Масеевич (Пермь, Россия) – кандидат физико-математических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ergnur@mail.ru.

Ермилов Александр Сергеевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ermilov@tpmp.perm.ru.

Любимова Нина Юрьевна (Пермь, Россия) – старший преподаватель, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ninalubimova@ya.ru.

1. Догадкин Б.А., Донцов А.А., Шершнев В.А. Химия эластомеров. – М.: Химия, 1981. – 376 с. 

2. Ван Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. – М.: Химия, 1976. – 415 с. 

3. Ermilov A.S., Nurullaev E.M. Mechanical properties of elastomers filled with solid particles // Mechanics of composite materials. – 2012. – Vol. 48, №3. – P. 243–252. 

4. Ермилов А.С.,  Нуруллаев Э.М.  Механические  свойства  эластомера, наполненного твердыми частицами // Механика композитных материалов. – 2012. – Т. 48, №3. – С. 359–372. 

5. Smith T.L. Symposium on stress-strain-time-temperature relationships in materials // Amer. Soc. Test. Mat. Spec. Publ. – 1962. – №325. – P. 60–89. 

6. Smith T.L. Marginal mechanical characteristics of three dimensional cross-linked elastomers // J. Appl. Phys. – 1964. – Vol. 35. – P. 27–31. 

7. Нильсен Л.Е. Механические  свойства полимеров и полимерных композиций. – М.: Химия, 1978. – 311 с. 

8. Ермилов А.С., Нуруллаев Э.М. Численное моделирование и вывод уравнения для расчета энергии механического разрушения эластомера, наполненного полифракционным диоксидом кремния // Журнал прикладной химии. – 2014. – Т. 87, вып. 4. – С. 509–518. 

9. Ermilov A.S., Nurullaev E.M. Numerical simulation and derivation of an equation for calculation of the mechanical fracture energy of elastomer filled with multifractional silica // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2014. – Vol. 87, №4. – P. 500–508.

10. Ермилов А.С., Нуруллаев Э.М. Научные основы создания морозогидроустойчивого покрытия. Физико-химические  исследования в области создания морозогидроустойчивого покрытия асфальта авто-мобильных  дорог. – Gamburg: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. – 223 с. 

11. Ермилов А.С., Нуруллаев Э.М. Реолого-механические свойства  полимерных  композиционных  материалов. –  Saarbrucken:  LAP LAMBERT Academic Publisching GmbH &Co. KG, 2013. – 244 c.

Рассматривается преимущество использования метода микрофокусной рентгенографии при неразрушающем контроле авиационных изделий из полимерных композиционных материалов. Описаны основные типы характерных дефектов изделий выполненных из полимерных композиционных материалов, а именно – расслоение структуры материала, поры и смоляные карманы, складки, образованные в силу различных причин, представлены их схематичные изображения. Приведены особенности рентгенооптической схемы микрофокусной рентгенографии, заключающиеся в применении источников излучения с размером фокусного пятна менее 100 микрометров и реализации съемки с увеличением изображения, для чего объект исследования относится на некоторое расстояние от системы визуализации. Указанные особенности позволяют повысить детализацию и, соответственно, минимизировать размеры обнаруживаемых дефектов при просвечивании. На основе экспериментальных исследований определены рентгенографические признаки основных типов дефектов, характерных для изделий из полимерных композиционных материалов. Описан внешний вид прототипа рентгеновской установки, предназначенной для осуществления неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов на промышленном производстве. Приведены основные технические характеристики разработанного рентгеновского аппарат РАП-200М, используемого в качестве источника излучения при исследованиях. Рассчитаны временные затраты персонала, необходимые для проведения высоко разрешающей рентгеновской съемки и оценки результатов контроля.

Ключевые слова: рентгенография, рентгеновский контроль, микрофокусная рентгенография, фокусное пятно, рентгеновская трубка, микрофокусный рентгеновский аппарат, разрешающая способность, композиционные материалы.

Потрахов Николай Николаевич (Санкт-Петербург, Россия) – доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, kzhamova@gmail.com.

Жамова Карина Константиновна (Санкт-Петербург, Россия) – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, kzhamova@gmail.com.

Бессонов Виктор Борисович (Санкт-Петербург, Россия) – кандидат технических наук, ассистент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, vbbessonov@yandex.ru.

Грязнов Артем Юрьевич (Санкт-Петербург, Россия) – доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, ay-gryaznov@yandex.ru.

Ободовский Анатолий Владимирович (Санкт-Петербург, Россия) – аспирант, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, obodovsky@yandex.ru.

1. Вотинов А.М.  Технология  композиционных  материалов / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1998. – 138 с.

2. Repair of damage in aircraft composite sound-absorbing panels / A.N. Anoshkin, V.Y. Zuiko, M.A. Tashkinov, V.V. Silberschmidt // Composite Structures. – 2015. – Vol. 120. – P. 153–166. 

3. The effect of technological defects on performance of fabric-reinforced composites / A.N. Anoshkin, D.S. Lobanov, V.P. Matveenko, A. Roy, V.V. Silberschmidt, M.A. Tashkinov // Proceedings of 16thEuropean Conference on Composite Materials. – Seville, 2014. 

4. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей: монография / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1998. – 101 с.

5. Рентгенотехника: справочник: в2 кн. / под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1980. – Кн. 2. – 383 с. 

6. Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. – М.: Атомиздат, 1974. – 500 с. 

7. Артемьев Б.В., Буклей А.А. Радиационный контроль: учеб. пособие / под общ. ред. В.В. Клюева. – М.: Спектр, 2013. – 192 с. 

8. Потрахов Н.Н. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения // Вестник нов. мед. технологий. – 2007. – Т. XIV, №3. – С. 167–169. 

9. Потрахов Н.Н., Грязнов А.Ю. Микрофокусная рентгенография в медицинской диагностике. – СПб: Изд-во СПбГЭТУ«ЛЭТИ», 2012. – 121 с. 

10. Потрахов Н.Н., Подымский А.А., Куликов Н.А. Рентгеновские трубки нового поколения // Электроника и микроэлектроника СВЧ: сб. тр. III Всерос. конф. – СПб., 2014. – С. 153–157.

11. Рентгеновские диагностические аппараты: в2 т. / под ред. Н.Н. Блинова, Б.И. Леонова. – М.: Экран, 2001. – Т. 1. – 220 с. 

12. Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. – Л.: Энергоатомиздат, 1989. – 200 с. 

В конструкциях современных газотурбинных авиационных двигателей применяются различные корпусные детали внутреннего кожуха, выполненные из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Применение ПКМ для изготовления деталей кожуха обеспечивает снижение веса, повышение уровня шумозащиты, а также в ряде случаев и снижение стоимости. Наиболее нагруженными элементами корпусных деталей кожуха авиадвигателя являются фланцевые узлы соединений. Низкая межслойная прочность делает конструкции из ПКМ высокочувствительными к дефектам типа расслоений. Кроме того, разрушение фланцевых узлов корпусных деталей, выполненных из ПКМ, происходит именно по типу расслоения вследствие высоких нормальных и касательных напряжений на границе слоев.

Рассмотрено два расчетных варианта с дефектом в слоях фланца и без дефекта. Разработаны, модели по расчету напряженно-деформированного состояния фланца из ПКМ с дефектом в виде расслоения. Задача анизотропной теории упругости для неоднородной многослойной конструкции фланца решалась в трехмерной постановке с помощью метода конечных элементов в пакете ANSYS. Дефект в виде расслоения, задавался отсутствием контакта между слоями фланца. По результатам вычислительных экспериментов проведен анализ полей напряжений в наиболее нагруженных участках фланца. Определена область влияния дефекта на НДС для данного класса изделий.

Ключевые слова: авиационные двигатели, узлы соединений, композиционные материалы, численное моделирование, дефект в виде расслоения, напряженно-деформированное состояние, фланец, анизотропные свойства, слоистая модель.

Аношкин Александр Николаевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, anoshkin@pstu.ru.

Писарев Павел Викторович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, pisarev@pstu.ru.

Федоровцев Данил Игориевич (Пермь, Россия) – младший научный сотрудник, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, d.fedorovtcev@gmail.com.

Осокин Владимир Михайлович (Пермь, Россия) – младший научный сотрудник, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, osokin-kt@pstu.ru.

1. Рубцов С.М. Полимерные волокнистые композиты в конструкции турбовентиляторного авиационного двигателя ПС-90А // Конверсия в машиностроении. – 2007. – №3. – С. 19–26. 

2. Иноземцев А.А. Наноиндустрия авиадвигателя // Пермские авиа-ционные двигатели. – 2010. – №20. – С. 32–34. 

3. King  J.  Composites for Aeroengines // Materials World. – 1997. – Vol. 5, №6. – P. 324–327. 

4. Red C. Aviation Outlook: Composites in commercial aircraft jet engines // High-Performance Composites.– 2008. – URL: http://www.compositesworld.com/articles/aviation-outlook-composites-in-commercial-aircraft-jetengines (дата обращения: 07.08.2015). 

5. Применение композиционных материалов на основе клеевых препрегов в конструкции деталей и агрегатов авиационной техники / Н.Ф. Лукина [и др.] // Сварочное производство. – 2014. – №6. – С. 29–32. 

6. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1998. – 101 с. 

7. Effects of defects on the tensile strength of short-fibre composite materials / T. Joffre, A. Miettinen, E.L.G.  Wernerssonc, P.  Isaksson, E.K. Gamstedt // Mechanics of Materials. – 2014. – Vol. 75. – P. 125–134. 

8. Fracture studies and stress analysis of fiber reinforced composite using FEM / C. Arun Kumar, G. Mallesh, S.S. Chikkadevegowda, K.S. Keerthiprasad // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. – 2014. – Vol. 4, iss. 6. – P. 424–430. 

9. Ramesh T. Studies on the failure analysis of composite materials with manufacturing defects // Mechanics of Composite Materials. – 2013. – Vol. 49, №1. – P. 35–44.

10. Расчет НДС и оценка прочности композитного фланца стеклопластикового кожуха авиационного газотурбинного двигателя / А.Н. Аношкин, М.В. Рудаков, И.С. Страумит, Е.Н. Шустова // Вестник Уфим. гос. авиац. техн. ун-та. – 2011. – Т. 15, №1(41). – С. 67–75. 

11. Testing and analysis of a highly loaded composite flange / N.E. Jansson, A. Lutz, M. Wolfahrt, A. Sjunnesson // ECCM13: 13th European Conference on Composite Materials. – Stockholm, 2008. – URL: http: //extra.ivf.seleccm13-programme/abstracts/2620.pdf (дата обращения: 20.10.2015).

Изложены результаты теоретического исследования уровня удельной накопленной энергии деформации в зависимости от технологических условий механической обработки (скорости резания, подачи, глубины резания), а также геометрических параметров режущего инструмента (переднего и заднего углов, главного и вспомогательного углов резца в плане, радиуса округления режущей кромки и радиуса при вершине угла в плане) и физико-механических свойств обрабатываемого материала (предел прочности, предела текучести и относительного удлинения). Представлены математическая зависимость, позволяющая рассчитывать удельную накопленную энергию деформации по глубине наклепа с учетом исходной микротвердости обрабатываемого материала, и графические зависимости удельной накопленной энергии деформации от параметров процесса резания при токарной обработке (скорости резания и подачи), которые позволяют рассчитать удельную накопленную энергию деформации с учетом скорости резания и подачи, а также глубины резания и геометрии инструмента (переднего и заднего углов, главного и вспомогательного углов резца в плане, радиуса округления режущей кромки и радиуса при вершине угла в плане) и физико-механических свойств обрабатываемого материала (предел прочности, предела текучести обрабатываемого материала и его относительного удлинения). Установлены зависимости как для конструкционных сталей, так и для обработки титанового сплава и жаропрочного никелевого сплава.

Ключевые слова: накопленная энергия деформации, дислокация, упрочнение, глубина наклепа, режимы обработки.

Безъязычный Вячеслав Феоктистович (Рыбинск, Россия) – доктор технических наук, профессор, Рыбинский государственный авиационный технический университет, technology@rsatu.ru.

Прокофьев Максим Алексеевич (Рыбинск, Россия) – кандидат технических наук, доцент, Рыбинский государственный авиационный технический университет, rgata2004@mail.ru.

Виноградова Наталья Владимировна (Ярославль, Россия) – кандидат технических наук, инженер ООО «КРОНЕ Инжиниринг», frostiest@list.ru.

1. Драпкин Б.М., Кононенко В.К., Безъязычный В.Ф. Свойства сплавов в экстремальном состоянии. – М.: Машиностроение, 2004. – 256 с. 

2. Проблемные вопросы упрочнения поверхностных слоев металлов и сплавов при пластической деформации и представление о наклепе / В.Ф. Безъязычный, Б.М. Драпкин, М.А. Прокофьев, М.В. Тимофеев // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2005. – №1. – С. 3–6. 

3. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных сплавов. – М.: Машиностроение, 1974. – 256 с. 

4. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. – М.: Машиностроение, 2009. – 640 с. 

5. Безъязычный В.Ф. Взаимосвязь технологических условий обработки с параметрами качества поверхностного слоя, модулем упругости и пределом выносливости детали // Приложение. Справочник. Инженерный журнал. – 2003. – №9. – 18 с. 

6. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В. Константинов [и др.]. – М.: Изд-во МАИ, 1993. – 184 с. 

7. Безъязычный В.Ф. Разработка теоретических основ технологического обеспечения качества и эффективности механической обработки деталей авиационных двигателей: дис. … д-ра техн. наук. – М., 1982. – 533 с. 

8. Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, В.Н. Крылов, В.А. Полетаев [и др.]. – М.: Машиностроение, 2005. – Ч. 1. – 560 с.

9. Безъязычный В.Ф., Рыкунов Н.С., Водолагин А.Л. Влияние технологических условий механической обработки на предел выносливости деталей газотурбинных двигателей. –  Рыбинск: Изд-во Рыбинск. гос. авиац. техн. ун-та, 2007. – 34 с. 

10. Безъязычный В.Ф. Метод подобия в технологии машиностроения. – М.: Машиностроение, 2012. – 320 с.