Для выполнения требований, предъявляемых к баллистическим и тяговым характеристикам ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), в конструкцию заряда вводятся щелевые вырезы или выточки. Щели заряда формируются в виде звезд с лучами различной конфигурации и протяженности. При этом вершины щелевых вырезов с точки зрения прочности заряда можно квалифицировать как его конструктивные несовершенства, часто определяющие механическую работоспособность РДТТ. Оценка уровня опасного состояния заряда у вершин щелевых вырезов по компонентам тензора напряжений (деформаций) вызывает затруднения из-за многопараметричности анализа. В этой связи для повышения эффективности расчетов и увеличения их достоверности разработаны алгоритмы, позволяющие совместно с методами структурного анализа использовать методы механики разрушения, сводящие решение задачи к однопараметрическому анализу уровня опасности заряда у вершин щелей. Кроме того, открываются широкие возможности для проведения как количественного, так и качественного оперативного сравнительного анализа различных схем зарядов РДТТ, имеющих щелевые вырезы, с целью установления рациональных вариантов их устройства. Реализация предлагаемого методологического подхода восходит к известным работам отечественных и зарубежных ученых, результаты которых позволяют перейти к решению прикладных задач, используя при этом формальную замену щелевых вырезов или выточек математическими разрезами (трещинами). Работоспособность методики демонстрируется на примере анализа расчетных схем зарядов РДТТ с щелевыми вырезами при термосиловом нагружении в условиях плоской деформации. В работе приведен анализ влияния количества щелевых вырезов и их длины на НДС в вершине щели. Рассмотрены задачи по поиску рационального ориентирования щелевых вырезов относительно участков скрепления-раскрепления заряда с корпусом. Проведено исследование по поиску равнопрочной конструкции для заряда с равно- и разновеликими по длине щелевыми вырезами. Использование данной методики позволило выделить следующие ее плюсы: простота использования, высокая скорость обработки результатов расчетов, гибкость и очевидность анализа вариантов расчетных схем зарядов РДТТ при установлении рациональных вариантов устройства щелевых вырезов.

Ключевые слова: ракетный двигатель твердого топлива, заряд, метод конечных элементов, щелевые вырезы, механика разрушения, математический разрез, трещина, скорость освобождения энергии, коэффициенты интенсивности напряжений, термосиловое нагружение, напряженно-деформированное состояние.

Казанцев Владимир Георгиевич (Бийск, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетные двигатели и высокоэнергетические устройства автоматических систем», заведующий кафедрой «Техническая механика» Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (659305, г. Бийск, ул. Трофимова, д. 27, e-mail:
wts-01@mail.ru).

Карпутин Максим Петрович (Бийск, Россия) – аспирант кафедры «Техническая механика» Бийского технологического института (филиала) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (659305, г. Бийск, ул. Трофимова, д. 27, e-mail: mkarputin@mail.ru).

Кулявцев Евгений Яковлевич (Бийск, Россия) – кандидат технических наук, ведущий инженер АО ФНПЦ «Алтай» (659322, г. Бийск, ул. Социалистическая, д. 1, e-mail: nextlife13@mail.ru).

1. Казанцев В.Г., Карпутин М.П. Применение механики разрушения к обоснованию выбора рациональных вариантов конструктивных элементов зарядов РДТТ // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2015. – № 41. – С. 138–156.

2. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. – М.: Наука, 1974. – 640 с.

3. Райс Дж. Математические методы в механике разрушения // Математические основы теории разрушения: пер. с англ. – М.: Мир, 1975. – Т. 2. – С. 204–335.

4. Bowie O.L., Neal D.M. The effective crack length of an edge slot in a semi-infinite sheet under tension // International Journal of Fracture Mechanics. – 1967. – Vol. 3, iss. 2. – Р. 111–119.

5. Черепанов Г.П. О распространении трещин в сплошной среде // Прикладная математика и механика. – 1967. – Т. 31, №. 3. – С. 476–488.

6. Казанцев В.Г., Жаринов Ю.Б., Карпутин М.П. Динамика и прочность ракетных двигателей на твердом топливе. – Бийск: Изд-во Алтай. гос. техн. ун-та. им. И.И. Ползунова, 2014. – 379 с.

7. Казанцев В.Г., Мишичев А.И. Конечноэлементный анализ поля напряжений в окрестности трещин прямыми и энергетическим методами // Прикладная механика. – 1982. – Т. 18, № 3. – С. 77–81.

8. Морозов Е.М., Никишов Г.П. Метод конечных элементов
в механике разрушения. – М.: Наука, 1980. – 254 с.

9. Аликин В.Н., Милехин Ю.М., Пак З.П. Методы математического моделирования для исследования зарядов твердого топлива. – М.: Химия, 2003. – 214 с.

10. Казанцев В.Г. Метод конечных и граничных элементов в механике твердого тела. – Бийск: Изд-во Алтай. гос. техн. ун-та им. И.И. Ползунова, 2010. – 206 с.

Исследуется методика моделирования рабочих процессов в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги, работающего на компонентах керосин – кислород. Описываются преимущества и недостатки методики, основанной на записи уравнения реакции при стехиометрическом соотношении, моделирование процесса горения в рабочей области проводится с помощью модели диссипации вихря. Производится сравнение результатов моделирования
с помощью коммерческого пакета вычислительной газодинамики Ansys CFX с данными термодинамического расчета. Делается вывод о применимости подхода, на его основе производится оптимизация режимных параметров системы смесеобразования по полноте сгорания. Показано, что основное влияние на полноту сгорания имеет качество смешения испаренного горючего с газообразным окислителем и высокотемпературными продуктами сгорания. Обнаружено, что скорость подачи газообразного окислителя в рабочую область и соотношение между скоростями подачи через периферийную и центральную форсунки имеют наиболее сильное влияние на рабочие процессы в камере сгорания. Дается обоснование наблюдаемым эффектам для данной конкретной конструкции системы смесеобразования и камеры сгорания. Приводятся рекомендации по выбору оптимальных параметров смесительных элементов и конструкции жидкостного ракетного двигателя малой тяги.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, модель вихревой диссипации, полнота сгорания, численное моделирование, Ansys CFX, горение. 

Козлов Александр Александрович (Москва, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетные двигатели» Московского авиационного института (национального исследовательского
университета) (125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4, e-mail: kozlov202@yandex.ru).

Строкач Евгений Александрович (Москва, Россия) – аспирант кафедры «Ракетные двигатели» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) (125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4, e-mail: evgenij.strokatsch@yandex.ru).

тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан: дис. … канд. техн. наук. – М., 2014. – 162 с.

2. Воробьев А.Г., Боровик И.Н., Ха С. Анализ стационарного теплового состояния ЖРД малой тяги с топливом высококонцентрированная перекись водорода – керосин с учетом впрыскивания, испарения и сгорания жидкостных капель топлив // Вестник СГАУ. – 2014. – № 1(43). – С. 41–55.

3. Козлов А.А., Воробьев А.Г., Боровик И.Н. Жидкостные ракетные двигатели малой тяги. – М.: Изд-во МАИ, 2013. – 208 с.

4. Ваулин С.Д., Салич В.Л. Методика проектирования высокоэффективных ракетных двигателей малой тяги на основе численного моделирования внутрикамерных процессов // Вестник ЮУрГУ. Сер.: Машиностроение. – 2012. – Вып. 19, № 12. – С. 43–50.

5. Ташев В.П. Углеводородное горючее на основе керосина
с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД: дис. … канд. техн. наук. – М., 2014. – 115 с.

6. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учеб. пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 88 с.

7. Белов И.А. Модели турбулентности: учеб. пособие. – Л.: Изд-во Ленингр. механич. ин-та, 1982. – 88 с.

8. Ranz W.E., Marshal W.R., Jr. Vaporation from Drops. Part I // Chem. Eng. Prog. – 1952. – № 48(3). – P. 141–146.

9. Ranz W.E., Marshal W.R., Jr. Evaporation from Drops. Part I and Part II // Chem. Eng. Prog. – 1952. – № 48(4). – P. 173–180.

10. Spalding D.B. Mixing and chemical reaction in steady confined turbulent flames // 13th Symp. (Intl.) Comb. / Combustion Institute. – Pittsburgh, 1970. – P. 649.

11. Magnussen B.F., Hjertager B.H. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion // Sixteenth Symp. (Int.) on Combustion / Combustion Institute. – Pittsburgh, 1976. – P. 719.

12. Gosman A.D., Ioannides E. Aspects of computer simulation of liquid-fuelled combustors // J. Energy. – 1983. – № 7(6). – P. 482–490.

13. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / под ред. П.А. Власова. – М.: Физматлит, 2003. – 352 с.

14. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / под ред. В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1980. – 533 с.

Проведено численное исследование влияния распределения диаметра капель, истекающих из двухкомпонентной газожидкостной форсунки, на полноту сгорания топлива в жидкостном ракетном двигателе. В качестве компонентов топлива были выбраны керосин и газообразный кислород. Моделирование было произведено для семи различных средних диаметров капель по Заутеру. Моделирование для каждого диаметра Заутера проводилось для трех различных по ширине распределений Росина–Раммлера – от близкого к монодисперсному (параметр ширины 18) до широкого (параметр ширины 1,8). Результаты моделирования показали, что вид распределения в значительной мере влияет на полноту сгорания. Распыливание форсункой топлива на мелкие капли не гарантирует получения максимально возможной полноты сгорания для данной схемы смесеобразования. Максимальная полнота сгорания требует наличия в спектре распыла капель как малого, так и большого диаметра. В статье проанализированы причины, приводящие к такому результату, и обосновано утверждение, что для каждой конкретной конструкции камеры сгорания и схемы смесеобразования существует распределение капель по диаметрам, обеспечивающее максимальную полноту сгорания, и задача конструктора – обеспечить требуемое распределение.

Ключевые слова: численное моделирование, дисперсность капель, жидкостный ракетный двигатель, полнота сгорания, средний диаметр капель по Заутеру, форсунка.

Боровик Игорь Николаевич (Москва, Россия) – кандидат технических наук, доцент кафедры «Ракетные двигатели» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) (125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4, e-mail: borra2000@ mail.ru).

Строкач Евгений Александрович (Москва, Россия) – аспирант кафедры «Ракетные двигатели» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) (125080, г. Москва, Волоколамское ш., д. 4, e-mail: evgenij.strokatsch@yandex.ru).

1. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев  [и др.]. – М.: Высш. школа, 1983. – 703 с.
2. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД / под ред. В.Е. Дорошенко. – М.: Мир, 1986. – 566 с.
3. Пажи Д.Г., Галустов В.С. Основы техники распыливания жидкостей. – М.: Химия, 1984. – 256 с.
4. Хавкин Ю.И. Центробежные форсунки. – Л.: Машиностроение, 1976. – 168 с.
5. Ashgriz N. Handbook of atomization and sprays. – Springer, 2011. – 935 p.
6. Распыливание жидкостей / Ю.Ф. Дитякин, Л.А. Клячко 
   [и др.]. – М.: Машиностроение, 1977. – 206 с.
7. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания ВРД / Б.В. Раушенбах, С.А. Белый [и др.]. – М.: Главполиграфпром, 1964. – 522 с.
8. Sauter J. Die Grössenbestimmung der in Gemischnebeln von Verbrennungskraftmaschinen vorhandenen Brennstoffteilchen // VDI-Forschungsheft. – 1926. – № 279; 1928. – № 312.
9. Rosin P., Rammler E. The laws governing the fineness of powdered coal // Journal of the Institute of Fuel. – 1933. – № 7. – P. 29–36.
10. Ташев В.П. Углеводородное горючее на основе керосина
    с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД: дис. … канд. техн. наук. – М., 2014, – 115 с.
11. Воробьев А.Г., Боровик И.Н., Ха С. Анализ стационарного теплового состояния ЖРД малой тяги с топливом высококонцентри­ро­ванная перекись водорода – керосин с учетом впрыскивания, испаре­ния и сгорания жидкостных капель топлив // Вестник СГАУ. – 2014. – № 1(43). – С. 41–55.
12. Гарбарук А.В., Стрелец М.Х., Шур М.Л. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учеб. пособие. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 88 с.
13. Белов И.А. Модели турбулентности: учеб. пособие. – Л.: Изд-во Ленингр. механич. ин-та, 1982. – 88 с.
14. Ranz W.E., Marshal W.R., Jr. Evaporation from Drops. Part I and Part II // Chem. Eng. Prog. – 1952. – № 48(4). – P. 173–180.
15. Peters N. Laminar diffusion flamelet models in non-premixed turbulent combustion // Prog. Energy Combust. Sci. – 1984. – Vol. 10. –
    P. 319–339.
16. Куценко Ю.Г. Методология проектирования малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей на основе математических моделей физико-химических процессов: дис. … д-ра техн. наук. – Пермь, 2010. – 298 с.
17. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / под ред. В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1980. – 533 с.

В настоящее время благодаря развитию высокопроизводительных вычислительных систем и методов численного моделирования появилась возможность разработать новую методологию проектирования камер сгорания, предполагающую активное использование газодинамических расчетов и существенное сокращение экспериментальных работ. Представленное исследование направлено на разработку методики проведения расчетов аэродинамики фронтовых устройств малоэмиссионных камер сгорания наземных газотурбинных установок. Осуществлен анализ влияния различных параметров расчетной модели на общую картину течения, осредненные во времени поля (профили) скорости, структуру прецессирующего вихревого ядра и частоту возмущений в потоке. Были использованы полная и усеченная модели фронтового устройства; несколько расчетных сеток, отличающихся размерами элементов; различные подходы к описанию турбулентного течения, такие как решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса (RANS, URANS) с наиболее часто используемыми моделями турбулентности, моделирование отсоединенных вихрей (DES) и моделирование с адаптивными масштабами (SAS). Была установлена зависимость структуры прецессирующего вихревого ядра, прогнозируемая при URANS-моделировании, от начальных условий. Анализ результатов выполненных расчетов позволил сформулировать рекомендации для численного моделирования закрученных потоков
в премиксерах.

Ключевые слова: газотурбинный двигатель, камера сгорания, премиксер, закрученные потоки, компьютерное моделирование.

Назукин Владислав Алексеевич (Пермь, Россия) – аспирант кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29); инженер-конструктор-расчетчик отдела камер сгорания ОАО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93, e-mail: v.a.naz@narod.ru).

Августинович Валерий Георгиевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29,
e-mail: august@avid.ru).

1. Technology update on gas turbine dual fuel, dry low emission combustion systems / P.E. Rokke, J.E. Husgand, N.A. Rokke, O.N. Svendsgaard // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2003, June 16–19, Atlanta. – Paper № GT2003-38112.

2. Новейшие разработки технологии DLN для турбин класса F: DLN 2.6+ / К. Венкатараман, С.Е. Льюис, Дж. Натарайан, С.Р. Томас, Дж.В. Ситено // Газотурбинные технологии. – 2012. – № 1(102). – C. 26–33.

3. Modern gas turbine systems / еd. P. Jansohn. – Cambridge: Woodhead Publishing Ltd., 2013. – 816 p.

4. Barnes J.C., Mellor A.M. Quantifying unmixedness in lean premixed combustors operating at high pressure, fired conditions // Procee­dings of ASME 1997 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exhibition, 1997, June 2–5, Orlando. – Paper № 97-GT-073.

5. Baumgartner G., Sattelmayer Th. Experimental investigation of the flashback limits and flame propagation mechanisms for premixed hydrogen-air flames in non-swirling and swirling flow // Proceedings of ASME Turbo Expo, 2013, June 3–7, San Antonio. – Paper № GT2013-94258.

6. Fritz J., Kroner M., Sattelmayer Th. Flashback in a swirl burner with cylindrical premixing zone // ASME Turbo Expo, 2001, June 4–7, New Orleans. – Paper № 2001-GT-0054.

7. Gupta A.K., Lilley D.G., Syred N. Swirling flows. – Tunbridge Wells: Abacus Press, 1984. – 475 p.

8. Волков К.Н., Емельянов В.Н. Моделирование крупных вихрей
в расчетах турбулентных течений. – М.: Физматлит, 2008. – 368 c.

9. Midgley K., Spencer A., McGuirk J.J. Unsteady flow structures in radial swirler fed fuel injectors // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2004. – Vol. 127(4). – Р. 755–764.

10. Spencer A., McGuirk J.J., Midgley K. Vortex breakdown in swirling fuel injector flows // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2008. – Vol. 130(2).

11. Comparison of URANS and LES CFD methodologies for air swirl fuel injectors / D. Dunham,   A. Spencer, J.J. McGuirk,   M. Dianat // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. – 2008. – Vol. 131(1).

12. Midgley K. An isothermal experimental study of the unsteady fluid mechanics of gas turbine fuel injector flowfields. Ph. D. thesis / Loughborough University. – Loughborugh, 2005. – 257 p.

13. Dunham D. Unsteady fluid mechanics of annular swirling shear
layers. Ph. D. thesis / Loughborough University. – Loughborugh, 2011. – 297 p.

14. Agarwal K.K., Konakalla S.R., Selvan S. On meshing guidelines for large eddy simulations of gas turbine combustors // ASME Turbo Expo, 2014, June 16–20, Düsseldorf. – Paper № GT2014-26077

Вопросы повышения эффективности смазывания и охлаждения подшипников авиационных двигателей всегда были и остаются актуальными. Одним из способов достижения большей эффективности системы смазки является изучение режимов истечения масляной струи, подаваемой на подшипник.

В статье представлены результаты исследования истечения струи из трех различных масляных жиклеров системы смазки подшипника высокоскоростной газовой турбины. Исследовались особенности влияния конфигурации каналов жиклера на распыл масляной струи при изменении температуры и давления масла на входе в жиклер. Проведено моделирование течения масла в каналах жиклеров с последующей организацией экспериментальных проливок при двух разных температурах и двух разных давлениях масла на входе в жиклер. Сравнение результатов моделирования течения масла в каналах жиклера с экспериментом показало их хорошую сходимость.

В результате исследования выяснилось, что во всех жиклерах масло испытывает кавитацию, также происходит деформация струи в каналах жиклера. Данные явления нежелательны, так как приводят к интенсификации распыла масла. Сделаны выводы о влиянии геометрии каналов жиклера на длину нераспыленного участка масляной струи. Сформулированы направления дальнейшего исследования, которые включают замер скорости истечения масляной струи при помощи лазерного доплеровского анемометра.

Ключевые слова: опоры газовых турбин, смазывание подшипников газовых турбин, масляный жиклер, масляная струя, истечение вязкой жидкости, распыл струи, длина нераспыленного участка струи, кавитация.

Борисов Евгений Алексеевич (Пермь, Россия) – инженер-конструктор отдела турбин ОАО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93, e-mail: borisov-ea@avid.ru), аспирант кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29).

Ардашкин Илья Викторович (Пермь, Россия) – инженер-конструктор отдела турбин ОАО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 93, e-mail: ardaskin-iv@avid.ru), аспирант кафедры «Авиационные двигатели» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29).

1. Sirignano W.A., Mehring C. Review of theory of distortion and
   disintegration of liquid streams // Progress in Energy and Combustion
   Science. – 2000. – Vol. 26. – P. 609–655.
2. Birouk M., Lekic N. Liquid jet breakup in quiescent atmosphere:
   a review // Atomization and Sprays. – 2009. – Vol. 19, iss. 6. – P. 501–528.
3. Birouk M., Stabler T., Azzopardi B.J. An experimental study of liquid jets interacting with cross airflow // Particle & Particle Systems Characterization. – 2003. – Vol. 20. – P. 39–46.
4. Birouk M., Azzopardi B.J., Stabler T. Primary break-up of a viscous liquid jet in a cross airflow // Particle & Particle Systems Characterization. – 2003. – Vol. 20. – P. 283–289.
5. Боев А.А., Петрухин А.Г., Шкловец А.О. О перспективном подводе масла к подшипниковому узлу ГТД // Известия Самар. науч. центра РАН. – 2013. – Т. 15, № 6(4). – С. 1022–1026.
6. Демидович В.М. Исследование теплового режима подшипников ГТД. – М.: Машиностроение, 1978. – 172 с.
7. Холщевников К.В., Емин О.Н., Митрохин В.Т. Теория и расчет авиационных лопаточных машин. – М.: Машиностроение, 1986. – 432 с.
8. Новиков Д.К., Фалеев С.В. Опоры и уплотнения авиационных двигателей и энергетических установок: Электронный образовательный контент. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. – 124 с.
9. Пильгунов В.Н., Ефремова К.Д. Истечение вязкой жидкости через круглые отверстия при малых числах Рейнольдса // Инженерный вестник. – 2015. – № 5. – С. 13–37.
10. Hiroyasu H., Arai V., Shimizu M. Break-up length of a liquid jet and internal flow in a nozzle // Proc. ICLAS-91. – 1991. – P. 275–282.
11. Experimental study of cavitation in the nozzle hole of diesel injectors using transparent nozzles / H. Chaves, M. Knapp, A. Kubitzek,
    F. Ober­meier, T. Shnieder  // SAE Paper. – 1991. – Paper no. 950290. –
    P. 645–657.
12. Tamaki N., Shimizu M., Hiroyasu H. Enhancement of the atomization of a liquid jet by cavitation in a nozzle hole // Atomization and sprays. – 2001. – Vol. 11, iss. 2. – P. 125–137.
13. Sou A., Hosokawa S., Tomiyama A. Effects of cavitation in a nozzle on liquid jet atomization // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2007. – Vol. 50, iss. 17–18. – P. 3575–3582.
14. Альтшуль А.Д., Кисилев П.Г. Гидравлика и аэродинамика: учебник. – М.: Изд-во лит-ры по строительству, 1965. – 270 с.
15. Agrawal K.S. Breakup of liquid jets // International Journal of Emerging Technologies In Computational and Applied Sciences (IJETCAS). – 2013. – Vol. 5(5). – P. 487–496.

Разработаны физическая модель и расчетная схема, в соответствии с которыми модельная энергетическая установка на базе двигателя Стирлинга описывается двумя подвижными элементами в замкнутом объеме. Задача решается в связанной однонаправленной нестационарной численно-аналитической 3D-постановке. Оба элемента совершают возвратно-поступательные движения по заданному закону. Учитывается запаздывание одного элемента относительно другого. В ходе газодинамического расчета определяются газодинамические силы, действующие на подвижные элементы. Вывод об эффективности рабочего процесса в двигателе Стирлинга делается по результатам анализа сдвига фаз колебаний подвижных элементов и газодинамических сил, действующих на них. На основе вычислительного эксперимента проведен анализ соответствия колебаний подвижных элементов и газодинамических сил. Выявлены зависимости колебаний газодинамической силы, действующей на поршни, от перемещений поршней, сдвига фаз колебаний, наличия подвода тепла. Выявлены зависимости сдвига фаз колебаний между поршнем и действующей на него газодинамической силой (j₂, j₃) от сдвига фаз колебаний поршней (j₁). Однозначной взаимосвязи колебаний газодинамической силы и соответствующих им перемещений поршней не обнаружено. Результаты получены в системе инженерного анализа ANSYS CFX, с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Ключевые слова: двигатель Стирлинга, численное моделирование, ANSYS CFX, вычислительный эксперимент, газодинамика, колебания, сдвиг фаз колебаний, вибрации, физическая модель, переходные процессы, аэроупругость.

Бутымова Лилия Николаевна (Пермь, Россия) – инженер Цент­ра высокопроизводительных вычислительных систем ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: liliya85@ gmail.com).

Модорский Владимир Яковлевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: modorsky@pstu.ru).

Николай Алексеевич Шевелев (Пермь, Россия) – доктор тех­нических наук, профессор, ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: modorsky@pstu.ru).

1. Кириллов Н.Г., Передерий С.Э. Перспективы создания автономных систем комбинированного производства электрической и тепловой энергии на основе сжигания биотоплива в двигателях Стирлинга [Электронный ресурс]. – URL: http://www.infobio.ru/sites/default/files/ Kirillov-Perederi.pdf (дата обращения: 20.01.2016).

2. Трехмерное моделирование флаттера лопаток компрессоров современных ГТД / В.В. Веденеев, М.Е. Колотников, П.В. Макаров, В.В. Фирсанов // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та им. акад. С.П. Ко­ролёва (нац. исслед. ун-та). – 2011. – Вып. 3–1. – С. 47–55.

3. Mekhonoshina E.V., Modorskii V.Y. On a phase-shift of waves
at the medium interface // Computer Optics. – 2015. – Vol. 39, iss. 3. –
Р. 385–391.

4. Mekhonoshina E.V., Modorskii V.Ya., Petrov V.Yu. Numeric simulation of the interaction between subsonic // Source of the Document CEUR Workshop Proceedings. Conference “Information Technology and Nanotechnology (ITNT – 2015). Mathematical Modeling”. – P. 211–218.

5. Numerical modeling of flow mixing and cooling processes in
a perforated exhaust duct / A.N. Ponik, V.Ya. Modorskii, A.V. Kozlova, Yu.V. So­­kolkin  // Russian Aeronautics (Iz VUZ). – 2014. – Vol. 57, № 2. – Р. 181–186.

6. Modorskii V.Y., Petrov V.Y. Aeroelastic deformation of a solid-propellant rocket engine during supercharging // Russian Aeronautics
(Iz VUZ). – 2011. – Vol. 54, № 3. – Р. 272–275.

7. Петров В.Ю., Модорский В.Я., Бутымова Л.Н. Численное моделирование влияния колебаний лопаток модельного компрессора на систему «газ – конструкция» // Науч.-техн. вестник Поволжья. – 2015. – № 5. – C. 161–163.

8. Модорский В.Я., Бутымова Л.Н. Исследование колебательных процессов на резонансных режимах в модельной установке // Науч.-техн. вестник Поволжья. – 2013. – № 6. – C. 193–196.

9. Соколкин Ю.В., Модорский В.Я., Бутымова Л.Н. Разработка экспериментальной установки и исследование влияния материала корпуса на резонансные частоты в системе «газ – конструкция» // Науч.-техн. вестник Поволжья. – 2013. – № 6. – C. 197–200.

10. Инженерная методика определения настроек газохода переменного сечения для отвода и охлаждения горячих газов энергетических установок / В.Ю. Петров, В.Я. Модорский, А.Н. Поник, А.В. Козлова  // Науч.-техн. вестник Поволжья. – 2012. – № 2. – C. 216–219.

11. Численная оценка напряженно-деформированного состояния лопатки компрессора в аэроупругой постановке / В.Ю. Петров, В.Я. Модорский, А.И. Плотников, Е.В. Мехоношина  // Науч.-техн. вестник Поволжья. – 2015. – № 5. – C. 235–238.

12. Петров В.Ю., Модорский В.Я., Шмаков А.Ф. Численное моделирование газодинамических процессов и процессов деформирования в компрессоре модельного стенда газоперекачивающего агрегата // Науч.-техн. вестник Поволжья. – 2015. – № 5. – C. 318–320.

13. Shmakov A.F., Modorskii V.Ya. Energy conservation in cooling systems at metallurgical plants // Metallurgist. – 2016. – Vol. 59, iss. 9. –
P. 882–886.

14. Модорский В.Я., Соколкин Ю.В. Газоупругие процессы в энер­­гетических установках. – М.: Наука, 2007. – 176 с.

15. Бутымова Л.Н., Модорский В.Я. Исследование газодинамического потока и конструкции в модельной экспериментальной установке // Вестник ЮУрГУ. Сер.: Вычислительная математика и информатика. – 2014. – Т. 3, № 2. – С. 92–100.

Представлены результаты математического моделирования горения полифракционной аэровзвеси алюминия с учетом кинетики химических реакций и неравновесной термодинамики физико-химических процессов. Произведены расчеты содержания субоксидов Al₂O и AlO в продуктах сгорания, температуры газовой фазы и объемной доли кислорода в зависимости от коэффициента избытка воздуха a и времени пребывания t алюминиевовоздушной смеси в камерах сгорания установок на порошкообразном металлическом горючем. Исследования выполнены для 0,1 £ a £ 1,2 по модели, учитывающей кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения. Проанализирована и обоснована необходимость учета образования субоксида Al₂O в рассматриваемом диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха. Установлено, что объемная доля субоксида Al₂O на 1–2 порядка превышает долю AlO. Для предельных значений времени
t ® ¥ результаты расчетов неравновесной термодинамики сравнивались с результатами расчетов равновесной, выполненными с использованием программы «Астра». В численных экспериментах в качестве основных исследуемых параметров взяты значения объемных долей субоксидов. В каждый момент времени рассчитывалось их текущее значение и текущее равновесное значение, что позволило оценить действительную степень неравновесности соответствующих физико-химических процессов при реальном времени пребывания реагирующей смеси в камере t £ 10 мс. Анализ всех результатов исследований и их взаимное сопоставление подтверждают корректность описания образования Al₂O и AlO и адекватность используемой математической модели. Результаты работы могут быть применены в проектировании соответствующих технологических и энергетических установок для различных условий реализации рабочих процессов.

Ключевые слова: математическое моделирование, горение, аэровзвесь, алюминий, субоксиды, кинетика, равновесная и неравновесная термодинамика, коэффициент избытка воздуха.

Крюков Алексей Юрьевич (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, доцент кафедры «Инновационные технологии маши­ностроения» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: alexkryukov@list.ru).

Малинин Владимир Игнатьевич (Пермь, Россия) – доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: malininvi@mail.ru).

1. Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Воспламенение
и горение аэровзвеси алюминия в реакторе высокотемпературного синтеза порошкообразного оксида алюминия // Физика горения и взрыва. – 2002. – Т. 38, № 5. – С. 41–51.

2. Крюков А.Ю. Адаптация внутрикамерных процессов и элементов конструкции энергоустановок на порошковом горючем к технологиям получения ультра- и нанодисперсных материалов // Известия Самар. науч. центра РАН. Спец. вып. «Актуальные вопросы тепло- и массообмена, энергоэффективность, исследование вихревых закрученных потоков». – 2008. – С. 29–38.

3. Крюков А.Ю., Малинин В.И. Математическая модель горения полифракционной аэровзвеси алюминия с учетом реакции азотирования // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 36. – С. 95–118.

4. Егоров А.Г., Кальней А.Д., Шайкин А.П. Стабилизация пламени порошкообразного металлического горючего в турбулентном потоке воздуха // Физика горения и взрыва. – 2001. – Т. 37, № 5. – С. 28–35.

5. Бекстед М.В., Лианг У., Паддуппаккам К.В. Математическое моделирование горения одиночной алюминиевой частицы (обзор) // Физика горения и взрыва. – 2005. – Т. 41, № 6. – С. 15–33.

6. Бабук В.А., Васильев В.А., Романов О.Я. Физико-химические превращения капель Al–Al₂O₃ в потоке активного газа // Физика горения и взрыва. – 1993. – Т. 29, № 3. – С. 129–133.

7. Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Модель горения высокоскоростного потока аэровзвеси частиц алюминия, учитывающая кинетику процессов и особенности накопления окисла // Химическая физика. – 1998. – Т. 17, № 10. – С. 80–92.

8. Малинин В.И. Организация внутрикамерных процессов в двигательных и технологических установках на металлических горючих: дис. … д-ра техн. наук. – Пермь, 2007. – 311 с.

9. Крюков А.Ю., Малинин В.И. Математическое моделирование горения алюминиевовоздушной смеси при низких коэффициентах избытка воздуха // Материалы XXIV Всерос. шк.-конф. молодых ученых и студентов, 7–10 сентября 2015 г. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – С. 231–235.

10. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. – 40 с.

11. Болховских Д.А., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Исследование составов металлогазовых смесей для получения нанодисперсного оксида алюминия // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2012.  – № 33.  – С. 109–123.

12. Болховских Д.А., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Анализ применения различных алюминиево-газовых смесей в форкамере установки синтеза нанооксидов // Вестник ИЖГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2013. – № 3(59). – С. 17–20.

13. Демидов С.С., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Ракетный двигатель на порошкообразном алюминиевом горючем и углекислом газе в качестве окислителя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2014. – № 36. – С. 119–130.

14. Болховских Д.А., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Определение коэффициентов теплопроводности и вязкости в смесях алюминия и кислородсодержащих газов в форкамере установки синтеза нанооксидов // Вестник ИЖГТУ им. М.Т. Калашникова. – 2014. – № 2(62). – С. 25–28.

15. Демидов С.С., Малинин В.И., Бульбович Р.В. Стенд огневых испытаний ракетного двигателя на порошкообразном алюминиевом горючем и углекислом газе или воде в качестве окислителя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2015. – № 40. – С. 106–121.

Для прогнозирования механических свойств наноструктурированных материалов, имеющих широкое применение в аэрокосмической технике, многие авторы используют дискретно-атомистическое моделирование, зачастую представляющее собой единственный способ исследования таких объектов. Для описания межатомного взаимодействия в твердых телах применяется огромное количество потенциалов различного типа: двух- и многочастичные, метод погруженного атома, потенциалы ковалентной связи. Известно, что получаемые в расчетах механические свойства в ряде случаев могут даже качественно отличаться от экспериментальных данных. В работе для демонстрации возможностей различных потенциалов описывать анизотропные упругие свойства материалов с кристаллической микроструктурой получено инвариантное представление тензора упругих модулей в виде конечных сумм, построенных с использованием различных потенциалов межатомного взаимодействия. Вид потенциалов при записи этих сумм не конкретизируется, их производные выражаются через силы межатомного взаимодействия, что позволяет исследовать возможности различных потенциалов для описания анизотропии и симметрийных свойств упругого отклика кристаллических материалов. С помощью полученного инвариантного представления тензора линейно-упругих модулей на примере двумерных квазикрис­таллических структур продемонстрированы возможности нескольких двух- и многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия для описания анизотропии упругих свойств материалов. Показано, что в отличие от многочастичного потенциала погруженного атома парные потенциалы в принципе не могут описать анизотропии упругих свойств.

Ключевые слова: дискретно-атомистическое моделирование, несимметричная упругость, прогнозирование упругих модулей, упругая анизотропия, кристаллы конечных размеров, многочастичные потенциалы, метод погруженного атома, метод быстрых сумм.

Стволова Софья Сергеевна (Пермь, Россия) – студентка, ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29,e-mail: sofi1234@mail.ru).

Зубко Иван Юрьевич (Пермь, Россия) – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., д. 29, e-mail: zoubko@list.ru).

1. Arroyo M., Belytschko T. Finite crystal elasticity of carbon nanotubes based on the exponential Cauchy–Born rule // Phys. Rev. B. – 2004. – Vol. 69. – Р. 115–126. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.115415
2. Reddy C.D., Rajendran S., Liew K.M. Equilibrium configuration and continuum elastic properties of finite sized graphene // Nanotechno­logy. – 2006. – Vol. 17. – P. 864–870.
3. Поздеев А.А., Трусов П.В., Няшин Ю.И. Большие упругопластические деформации: теория, алгоритмы, приложения. – М.: Наука, 1986. – 232 с.
4. Zubko I.Yu., Kochurov V.I. Estimation of elastic moduli of graphene monolayer in lattice statics approach at nonzero temperature // AIP Conf. Proc. – 2015. – Vol. 1683. – 020241.
5. Pietraszkiewicz W., Eremeyev V.A. On natural strain measures of the nonlinear micropolar continuum // International Journal of Solids and Structures. – 2009. – Vol. 46. – P. 774–787.
6. Clayton J. Nonlinear Mechanics of Crystals. – London: Springer, 2011. – 715 p.
7. Беринский И.Е., Кривцов А.М. Об использовании многочастичных межатомных потенциалов для расчета упругих характеристик графена и алмаза // Известия РАН. Механика твердого тела. – 2012. –№ 6. – С. 60–85.
8. Симонов М.В., Зубко И.Ю. Определение равновесных параметров решетки различных ГПУ-монокристаллов с помощью потенциала межатомного взаимодействия Ми // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 3. – С. 204–217.
9. Зубко И.Ю., Симонов М.В. Энергетический способ расчета упругих модулей образцов конечных размеров с ГПУ-решеткой // Известия Том. политехн. ун-та. – 2013. – Т. 323, № 2. – С. 194–200.
10. Зубко И.Ю. Вычисление упругих модулей монослоя графена в несимметричной постановке с помощью энергетического подхода // Физическая мезомеханика. – 2015. – Т. 18, № 2. – С. 37–50.
11. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: Derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Physical Review B. – 1984.  – Vol. 29, № 12. – P. 6443–6453.
12. Finnis M.W., Sinclair J.E. A simple empirical N-body potential for transition metals // Philosophical Magazine A. – 1984. – Vol. 50:1. –
    P. 45–55.
13. Sutton A.P., Chen J. Long-range Finnis–Sinclair potentials // Philosophical Magazine Letters. – 1990. – Vol. 61, iss. 3. – P. 139–146.
14. Israilishvili J.N. Intermolecular and surface forces. – Academic Press: Harcourt Brace and Company, 1998. – 450 p.
15. Черных К.Ф. Введение в анизотропную упругость. – М.: Наука, 1988. – 190 с.

Впервые использовался способ, практическое применение которого позволило создать технологию нанесения теплозащитного покрытия сложного профиля крышки передней с прочноскрепленными жесткими структурными элементами с использованием специального приспособления.

В ходе научно-исследовательской работы были проведены исследования: осуществлен анализ различных вариантов нанесения ТЗП сложного профиля крышки передней с жесткими структурными элементами; проведена технологическая отработка различных вариантов нанесения ТЗП; выбран оптимальный вариант изготовления, обеспечивающий требуемое качество ТЗП; разработан технологический процесс нанесения ТЗП крышки передней.

Предложенная технология позволяет изготавливать внутреннее ТЗП сложного профиля крышки передней с жесткими структурными элементами с обеспечением целостности закладного элемента, без применения дополнительной механической обработки, что гарантирует требуемое качество нанесенного покрытия, а также снижает трудоемкость и стоимость изготовления изделия. По данной технологии изготовлено более 10 сборочных единиц.

Ключевые слова: теплозащитное покрытие, двухстадийное экструдирование, шнек-пресс, крышка передняя, закладной элемент, пресс-форма, сложный профиль, матрица, кольцо вкладное, смесь резиновая. 

Нестеров Борис Анатольевич (Пермь, Россия) – начальник сектора ПАО «Научно-производственное объединение “Искра”» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: nba720@ iskra.perm.ru).

Балуев Роман Олегович (Пермь, Россия) – инженер-технолог ПАО «Научно-производственное объединение “Искра”» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: bro720@ iskra.perm.ru).

Ворожцов Константин Владимирович (Пермь, Россия) – руководитель группы ПАО «Научно-производственное объединение “Искра”» (614038, г. Пермь, ул. Академика Веденеева, д. 28, e-mail: vkv720@­iskra.perm.ru).

1. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.
2. Конструкция и отработка РДТТ / А.М. Виницкий, В.Т. Волков, И.Т. Волковицкий, С.В. Холодилов. – М.: Машиностроение, 1980. – 231 с.
3. Эластомерные теплозащитные материалы. Обзор / сост. Ю.Б. Дубинкер, А.А. Донской / Всесоюзн. ин-т авиац. материалов. – М., 1969. – 37 с.
4. Трофимов А.А., Гейнрих Н.И. Технология нанесения теплозащитного покрытия на малоразмерные конические модели для испытаний в высокотемпературной аэродинамической трубе // Вестник Юж.-Урал. гос. ун-та. Сер.: Машиностроение. – 2011. – № 31(258). –
   С. 76–80.
5. Воробей В.В., Маркин В.Б. Основы технологии и проектирование корпусов ракетных двигателей. – Новосибирск: Наука, 2003. – 164 с.
6. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. – С. 435.
7. Генель С.В., Белый В.А., Булгаков В.Я. Применение полимерных материалов в качестве покрытий. – М.: Химия, 1968. – 238 с.
8. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике / В.С. Авдуевский [и др.]. – М.: Машиностроение, 1975. –
   С. 404–408.
9. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. – М.: Энергия, 1976. – 392 с.
10. Романов А.С. Системы обеспечения тепловых режимов герметичных отсеков и ядерных энергетических установок космических аппаратов. – СПб.: Профессионал, 2014. – 248 с.
11. Гофин М.Я. Жаростойкие конструкции многоразовых аэрокосмических аппаратов /  ЗАО ТФ «Мир». – М., 2003. – 671 с.