Удосконалення систем змащування суднових ГТД шляхом застосування функціональних термочутливих елементів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіті і науки України

Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.08.05 - Суднові енергетичні установки

Удосконалення систем змащування суднових ГТД шляхом застосування функціональних термочутливих елементів

Поліщук Віталій Анатолійович

Миколаїв - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному морському технічному університеті імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - канд. техн. наук, професор Соловйов Станіслав Миколайович, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, завідувач кафедри технології суднового машинобудування

Офіційні опоненти:

- д-р техн. наук, професор Сербін Сергій Іванович, Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова, професор кафедри турбін;

- канд. техн. наук, доцент Варбанець Роман Анатолійович, Одеський національний морський університет, доцент кафедри суднових енергетичних установок і технічної експлуатації

Провідна установа - Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України, м. Одеса

Вчений секретар спеціалізованої ради д-р техн. наук, професор Рижков С.С.

Анотація

Поліщук В.А. Удосконалення систем змащування суднових ГТД шляхом застосування функціональних термочутливих елементів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 - суднові енергетичні установки. - Український державний морський технічний університет Міністерства освіти і науки України, Миколаїв, 2003.

Дисертацію присвячено питанням удосконалення систем змащування суднових ГТД шляхом застосування малогабаритних виконавчих механізмів на базі термочутливих елементів з ЕПФ. Запропоновано математичну модель термомеханічної поведінки виконавчих елементів з ЕПФ в температурному діапазоні експлуатації систем змащування суднових ГТД, на базі якої розроблено методики розрахунку пружинних термочутливих елементів та проектування термосилових приводів на їх основі для регулюючих пристроїв систем СЕУ. В результаті експериментальних досліджень встановлено режими термічної та термомеханічної обробки для формування необхідних функціональних характеристик пружинних термочутливих елементів з ЕПФ. Проведено конструкторську проробку та практичну реалізацію дослідного зразка регулятора температури мастила з приводом циклічної дії на базі термочутливих елементів пружинного виду з нікеліду титану, що відповідає особливостям експлуатації систем змащування ГТД з повітряним охолодженням мастила суден і кораблів на повітряній подушці.

Ключові слова: ефект пам'яті форми, виконавчий механізм, система СЕУ, математична модель, методика розрахунку, пружинний термочутливий елемент, система змащування, газотурбінний двигун.

Аннотация

Полищук В.А. Совершенствование масляных систем судовых ГТД путем применения функциональных термочувствительных элементов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - судовые энергетические установки. - Украинский государственный морской технический университет Министерства образования и науки Украины, Николаев, 2003.

Обоснована целесообразность и экспериментально подтверждена эффективность использования функциональных материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в системах СЭУ (термочувствительные приборы, дистанционно-управляемые и автоматически действующие малогабаритные исполнительные механизмы, виброизоляторы, компенсаторы, термомеханические соединения трубопроводов, электросетей, конструкций); указаны пути совершенствования теплового режима эксплуатации систем смазки с воздушным охлаждением масла ГТД судов и кораблей на воздушной подушке, газоперекачивающих агрегатов, передвижных газотурбогенераторов посредством разработки термочувствительных и адаптивных элементов с ЭПФ.

Для описания термомеханического поведения пружинных термочувствительных элементов (ТЧЭ) с ЭПФ в интервале температур эксплуатации масляных систем судовых ГТД предложена математическая модель, основанная на уравнениях кинетики фазового перехода с использованием концепции внутренней переменной механики сплошной среды. Для проектирования регулятора температуры масляной системы судового ГТД и малогабаритных средств автоматизации систем СЭУ на основе сплавов с ЭПФ на базе указанной модели разработаны методики расчета силовых ТЧЭ в виде цилиндрических пружин сжатия с витками круглого поперечного сечения и проектирования термосиловых приводов на их основе, позволяющие получить механическую характеристику исполнительных элементов с ЭПФ в произвольный момент времени во всем интервале температур эксплуатации. Получены зависимости, определяющие характер изменений деформационно-силовых характеристик ТЧЭ регулирующих устройств в процессе термосилового циклирования.

Разработаны технические условия на специализированную экспериментальную установку, в соответствии с которыми спроектирован и изготовлен стенд для комплексных исследований функциональных характеристик ТЧЭ с ЭПФ с приближением условий испытаний к условиям эксплуатации в масляных системах судовых ГТД. В результате экспериментальных исследований установлены режимы предварительной термической и термомеханической обработки для формирования необходимых эксплуатационных характеристик пружинных исполнительных элементов из сплавов на базе никелида титана и определены пути повышения к.п.д. термосиловых приводов регулирующих устройств на их основе.

Предложены конструктивные схемы малогабаритных тепловых, регулирующих и контрольно-измерительных устройств систем СЭУ на базе ТЧЭ с ЭПФ. Проведена конструкторская проработка и практическая реализация опытного образца регулятора температуры масла на базе ТЧЭ из никелида титана для модернизации масляных систем ГТД судов и кораблей на воздушной подушке с целью совершенствования процесса регулирования температурного режима эксплуатации систем с воздушным охлаждением масла.

Ключевые слова: эффект памяти формы, исполнительный механизм, система СЭУ, математическая модель, методика расчета, пружинный термочувствительный элемент, масляная систем, газотурбинный двигатель.

Annotation

Polishchuk V.A. The improvement of marine gas-turbine engine lubrication systems by utilization of functional thermosensitive elements. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of Candidate of Technical Science in speciality 05.08.05 - marine power plants.- Ukrainian State Maritime Technical University, the Ministry of Education and Science in Ukraine, Mykolayiv, 2003.

The thesis is devoted to the improvement of marine gas-turbine engine lubrication systems by utilization of small-sized actuators on the basis of thermosensitive elements from shape memory alloys (SMA). The mathematical model of thermomechanical behavior for twisting strength elements in all operation temperature range of marine gas-turbine engine lubrication systems has been offered. The calculation methods of thermal actuators for marine power plant systems regulating units with spring thermosensitive elements from SMA have been worked out on the basis of the above-mentioned model. The experimental investigations of operating characteristics behavior of the thermosensitive elements under thermomechanical actions have been carried out. As a result, heat and mechanical treatment conditions for forming the required functional possibilities of the spring strength elements with the shape memory effect were established. Research, development and practical implementation of the oil temperature regulator prototype (that is in conformity with exploitation features of gas-turbine engine lubrication system with air cooling of oil for air-cushion vehicles) with cyclic action actuator on the basis of spring thermosensitive nickel-titanium alloy elements have been carried out.

Key words: shape memory effect, actuating mechanism, marine power plant system, mathematical model, method of calculation, spring thermosensitive elements, lubrication system, gas-turbine engine.

1. Загальна характеристика роботи

термомеханічний змащування судновий

Актуальність теми. Одним з напрямків підвищення надійності приводів дистанційного і автоматичного керування систем суднових енергетичних установок (СЕУ), покращення їх службових характеристик при зниженні виробничих затрат та забезпеченні необхідної екологічності є системне вирішення питань по застосуванню нових закономірностей чи ефектів, на основі яких створення нетрадиційних технологій керування станом елементів устаткування, що формують його вихідні параметри, за рахунок використання матеріалів з функціонально обумовленими властивостями, до яких відносяться й сплави з пам'яттю форми (СПФ).

Повітряні охолоджувачі мастила газотурбінних двигунів (ГТД) суден і кораблів на повітряній подушці, газоперекачувальних агрегатів (ГПА) і пересувних газотурбогенераторів (ГТГ) працюють в складних температурних умовах, що обумовлено специфікою конструкції ГТД й умовами роботи: великий перепад температур мастила на вході та виході з двигуна, прокачка всього об'єму мастила через охолоджувач. Це спричиняє високе теплове навантаження на охолоджувач, підвищення гідравлічного опору магістралі відкачування, збільшення навантаження відкачуючих секцій навішаного маслоагрегату, зменшення ресурсу електрокомутаційної апаратури апаратів повітряного охолодження, і, як наслідок, зниження експлуатаційної надійності системи змащування, більше 30 % відказів якої пов'язано з відказами охолоджувачів мастила. Здійснення регулювання температурного режиму експлуатації систем змащування ГТД по принципу "перепуску" проблематично у зв'язку з тим, що існуючі регулятори температури прямої дії (в тому числі які використовуються в системах змащування ГПА та ГТГ) не задовольняють тепловим умовам роботи, вимогам по швидкодії, надійності, довговічності та ремонтопридатності, оскільки в якості термочутливих елементів (ТЧЕ) використовують герметичні перетворювачі.

З розвитком виробництва СПФ з'являється необхідність дослідження можливостей застосування термосилових приводів (ТСП) для малогабаритних виконавчих пристроїв (ВП) систем СЕУ, зокрема термочутливих і адаптивних елементів, характеристики яких відповідають температурним особливостям функціонування систем змащування ГТД. В суднових умовах обмежених площ і об'ємів, при можливості використання джерел низькотемпературного тепла такі приводи дають суттєві переваги: покращення масогабаритних показників, спрощення конструкції й підвищення технологічності, надійності та екологічної безпеки, зниження витрат на технічне обслуговування. Елементи зі СПФ, об'єднуючи в собі термочутливі та силові функції, володіючи великою питомою потужністю й цикловим ресурсом, в значній мірі задовольняють вимогам створення простих, малоінерційних і надійних пристроїв, які здійснюють регулювання подачі мастила по температурі вузла тертя або мастила, що дозволяє очікувати на позитивний ефект при застосуванні регуляторів прямої дії на базі СПФ для систем змащування суднових ГТД з повітряним охолодженням мастила.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до пріоритетних напрямків розвитку науки та техніки України "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" (напрямок 6) та Міжвузівської науково-технічної програми "Енергоресурси та енергозбереження на водному транспорті України" (розділ 55) в рамках НДР № ДР 0102U001494, № ДР 0197U008072 (рівень участі здобувача - виконавець); плану науково-технічної роботи по впровадженню, виконаної на замовлення відділу агрегатів і маслосистем ДП НВКГ "Зоря-Машпроект".

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є удосконалення систем змащування суднових ГТД з повітряним охолодженням мастила шляхом проектування термосилових приводів на базі ТЧЕ з ефектом пам'яті форми (ЕПФ) для малогабаритних виконавчих пристроїв систем СЕУ.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

аналіз систем змащування суднових ГТД і перспектив застосування функціональних матеріалів з ЕПФ в засобах автоматизації систем СЕУ для вдосконалення теплового режиму роботи систем змащування з повітряним охолодженням;

вибір виду виконавчих елементів і розробка термомеханічної схеми для реалізації зворотно-поступального руху робочого органу регулюючих пристроїв, малогабаритної теплової арматури та приводів циклічної дії ВП систем СЕУ;

розробка математичної моделі термомеханічної поведінки ТЧЕ в усьому температурному діапазоні фазових переходів, який відповідає температурним умовам експлуатації систем змащування суднових ГТД;

розробка технічних умов на спеціалізовану експериментальну установку для дослідження та формування експлуатаційних характеристик виконавчих елементів зі СПФ; виготовлення стенду для визначення робочих параметрів ТЧЕ різних видів для регулятора температури системи змащування ГТД;

проведення комплексних експериментальних досліджень пружинних ТЧЕ регулятора температури мастила, виготовлених з нікеліду титану, з метою формування та стабілізації їх експлуатаційних характеристик;

розробка на базі математичної моделі методики розрахунку силових елементів з СПФ у вигляді циліндричних пружин розтягу-стиску та методики проектування ТСП на їх основі для ВП систем СЕУ; підвищення к.к.д. термосилових приводів на основі нікеліду титану шляхом застосування двостороннього ЕПФ;

розробка схеми, конструкторська проробка і практична реалізація регулятора температури на основі приводу циклічної дії з ТЧЕ пружинного вигляду для системи змащування ГТД судна на повітряній подушці.

Об'єкт дослідження: системи змащування суднових ГТД; явища, пов'язані з термопружними мартенситними перетвореннями (МП) у СПФ, що корелюють з умовами експлуатації ВП систем СЕУ.

Предмет дослідження: процеси регулювання температури мастила систем змащування суднових ГТД; ТЧЕ нелінійного виду з нікеліду титану та приводи циклічної дії на їх основі для систем змащування ГТД з повітряним охолодженням мастила, а також систем регулювання та контролю СЕУ.

Методи дослідження - експериментально-теоретичні: метод моделювання термомеханічних параметрів ТЧЕ для регулюючих пристроїв на основі рівнянь кінетики фазового переходу з використанням внутрішньої змінної СПФ, що відображає ступінь реалізації МП в інтервалі температур регулювання; новий метод формування функціональних характеристик ТЧЕ шляхом термосилового циклування (ТСЦ) способом пригніченої деформації; відомі методи термообробки, наведення ефектів, пов'язаних з МП, й оцінки деформаційно-силових характеристик ТЧЕ та на підставі експериментальних результатів їх теоретичне пояснення.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше обґрунтовано доцільність та експериментально підтверджено ефективність застосування функціональних термочутливих елементів з ЕПФ у виконавчих механізмах систем СЕУ (термочутливі прилади, дистанційно керовані та автоматично діючі приводи малогабаритних ВП, конструктивні елементи механізмів, трубопроводів, електричних мереж).

Досліджено термомеханічну поведінку виконавчих елементів з ЕПФ для регулятора температури мастила в інтервалі температур МП, що корелює з температурним діапазоном експлуатації системи змащування суднового ГТД, і розроблено математичну модель (для елементів, що працюють на кручення), в основу якої закладені рівняння кінетики фазового переходу з використанням внутрішньої змінної механіки суцільного середовища. Встановлено, що розгляд фазового переходу як процесу, що відбувається за кінцевий інтервал часу, дозволяє визначити механічну характеристику пружинного ТЧЕ регулятора у вигляді залежності зусиль, що розвиваються, та переміщень від часу.

Встановлено аналітичну залежність, яка визначає взаємозв'язок часу спрацювання, споживаної енергії, температури, геометричних і енергетичних характеристик пружинного силового елементу та можливі області застосування ТСП в системах СЕУ по швидкодії та споживаній потужності. Експериментально виявлено, що в діапазоні підведеної потужності електричного струму до 500 Вт швидкість відновлення форми пружинних ТЧЕ прямо пропорційна інтенсивності нагрівання.

Для регулюючих пристроїв систем змащування суднових ГТД вперше експериментально визначені й обґрунтовані теоретично методи формування та стабілізації характеристик ТЧЕ пружинного виду з ЕПФ шляхом попередньої термомеханічної обробки методом термосилового циклування з варіюванням ступеня наведення деформації. Дістали подальший розвиток дослідження закономірностей наведення та стабілізації оборотного ЕПФ в пружинних ТЧЕ зі сплавів на основі нікеліду титану.

Обґрунтованість і достовірність наукових результатів, висновків і рекомендацій забезпечені коректністю постановки завдання, застосуванням фізично та математично обґрунтованих методів вирішення задач моделювання термомеханічних параметрів ТЧЕ зі СПФ; задовільною збіжністю розрахункових та експериментальних характеристик ТЧЕ; необхідною точністю експерименту і результатами порівняльного аналізу запропонованих та існуючих технічних рішень.

Наукове значення роботи полягає в удосконаленні систем змащування в СЕУ шляхом комплексного вирішення питань по створенню принципово нових малогабаритних виконавчих механізмів циклічної дії, термочутливих і адаптивних пристроїв на базі ТСП зі СПФ.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методики розрахунку ТЧЕ, виконаних у вигляді циліндричних пружин стискання з витками круглого поперечного перерізу, та проектування ТСП на їх основі для регулюючих пристроїв систем змащування суднових ГТД дозволяють на стадії проектування отримати механічну характеристику виконавчих елементів з ЕПФ, що дає можливість прогнозувати параметри їх функціонування в довільний момент часу в усьому діапазоні температур регулювання і характер змін їх деформаційно-силових характеристик в процесі експлуатації. Запропоновано нові методи попереднього термомеханічного впливу для формування необхідного рівня експлуатаційних характеристик пружинних ТЧЕ регулюючих, захисних і вимірювальних пристроїв систем регулювання й автоматики СЕУ та підвищення к.к.д. термосилових приводів. Сформульовано технічні умови на спеціалізовану експериментальну установку для комплексних досліджень елементів з ЕПФ в умовах наближених до реальних в системах СЕУ.

Впровадження результатів роботи. Результати експериментальних досліджень і методики розрахунку ТСП були передані відділу агрегатів і маслосистем ДП НВКГ "Зоря-Машпроект" і використані при проектуванні й виготовленні дослідного зразка регулятора температури мастила (РТМ) прямої дії для модернізації систем змащування двигунів ДП71, ДТ74, М10, ДП73, ДП79 кораблів на повітряній подушці (КПП) типу "Зубр", "Джейран", "Сівуч" і суден на повітряній подушці (СПП) для "Singapore Technologies Marine" по контракту ВО609 (а також для заміни традиційних регуляторів, що використовуються в системах змащування ГПА і пересувних ГТГ) з метою вдосконалення процесу регулювання температурного режиму експлуатації систем з повітряним охолодженням мастила.

Випробування та впровадження дослідних зразків змішувачів, контактних підігрівачів, конденсатовідвідників термостатичної дії з ТСП на базі пружинних ТЧЕ для систем загальнопромислового і суднового призначення з тиском до 0,7 МПа проведені на ряді підприємств машино- та суднобудування, АПК.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці математичної моделі термомеханічної поведінки ТЧЕ в діапазоні температур регулювання системи змащування ГТД; розробці методик розрахунку пружинних ТЧЕ та проектування ТСП на їх основі для регулюючих пристроїв систем СЕУ; розробці методики і проведенні експериментів, обробці їх результатів та теоретичному поясненні; розробці ТУ на універсальний стенд для вивчення технологічних можливостей виконавчих елементів зі СПФ, проектуванні та виготовленні його; в створенні та впровадженні дослідного зразка регулятора температури мастила ГТД на базі СПФ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи були розглянуті та обговорені на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу УДМТУ (1998 - 2002 рр.); 2-ій та 3-ій Міжнародних науково-технічних конференціях "Проблеми енергозбереження та екології в суднобудуванні" (Миколаїв, 1998, 2002 рр.); Міжнародній конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (Миколаїв, 2002 р.); на технічних засіданнях відділу агрегатів і маслосистем ДП НВКГ "Зоря-Машпроект"; 6-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені у 15 роботах: 8 статтях у збірниках наукових праць і науковому журналі, 2 Патентах України та 5 тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку літератури з 159 найменувань і додатку. Загальний об'єм роботи - 248 машинописних сторінок, в тому числі 159 сторінок основного тексту, 10 сторінок списку літератури, 73 рисунка, 23 таблиці та 33 сторінки додатку.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації та необхідність проведення досліджень, наведено дані про наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, дається загальна характеристика роботи.

В розділі 1 проведено аналіз доцільності і перспектив застосування функціональних матеріалів з ЕПФ у приводах засобів автоматизації систем СЕУ, зокрема для вдосконалення систем змащування суднових ГТД шляхом створення термочутливих і адаптивних елементів на базі СПФ.

Проаналізовано сучасний стан питання практичного застосування СПФ і звернено увагу на тенденцію використання функціональних матеріалів з ЕПФ в якості виконавчих елементів приводів циклічної дії засобів автоматизації. Окреслено переважні області застосування ТСП в системах СЕУ: термочутливі прилади (засоби сигналізації, вимірювання, контролю та регулювання параметрів робочих середовищ, захисно-запобіжні пристрої); автоматично діючі та дистанційно керовані приводи малогабаритних ВП (реле, дозатори, імпульсні клапани, регулятори, розподілювачі, запірна, регулююча та перемикаюча арматура); конструктивні елементи механізмів, трубопроводів, електричних мереж (компенсатори, віброізолятори, термомеханічні з'єднання). Найбільш перспективним є впровадження СПФ в пристроях, елементи яких повинні об'єднувати термочутливі та силові функції, забезпечуючи при цьому можливість варіювання швидкості спрацювання в широких межах без зміни навантажувальної здатності, покращення масогабаритних показників та спрощення конструкції в цілому.

Виходячи з аналізу характерних пошкоджень ГТД, пов'язаних з системою змащування, що вказує на необхідність вдосконалення регулювання теплового режиму експлуатації систем змащування з повітряним охолодженням мастила, та враховуючи замовлення відділу агрегатів і маслосистем ДП НВКГ "Зоря-Машпроект" основну увагу в роботі приділено розробці ТЧЕ терморегуляторів для систем змащування ГТД суден і кораблів на повітряній подушці, ГПА та ГТГ.

Зроблено висновок про невивченість прикладних питань явища "пам'яті форми", зокрема стосовно проектування ТСП з силовими елементами нелінійного вигляду для приводів циклічної дії та термочутливих пристроїв, що відкриває перспективу розвитку нового напрямку вдосконалення систем СЕУ шляхом застосування функціональних матеріалів і вибору в ньому теми дисертаційної роботи. Сформульовано мету і завдання досліджень.

В розділі 2 розглянуто основні напрямки та методи досліджень ТЧЕ з ЕПФ для терморегуляторів систем змащування суднових ГТД. Вирішені задачі обґрунтування та вибору системи функціональних характеристик СПФ, що відповідають умовам ВП систем СЕУ, та методик їх експериментального визначення.

Обґрунтовано вибір силового ТЧЕ у вигляді циліндричної пружини стиску з витками круглого поперечного перерізу та проаналізовано схеми ТСП для регулюючих пристроїв, малогабаритної теплової арматури, приводів циклічної дії засобів автоматизації систем СЕУ. Доцільність впровадження пружинних елементів зі СПФ обумовлена наступними перевагами: суміщення функцій термочутливого та силового елементів; можливість регулювання робочого ходу та зусиль; висока питома потужність; висока циклічна стійкість і надійність; простота конструкції, кріплення, компонування з іншими деталями та забезпечення двосторонньої дії ТЧЕ; ремонтопридатність; малі масогабаритні показники.

Для моделювання параметрів функціонування адаптивних і термочутливих елементів з ЕПФ регулюючих пристроїв вирішено використовувати феноменологічну модель, яка оперує інтегральними, макроскопічними характеристиками та параметрами СПФ і базується на концепції внутрішньої змінної механіки суцільного середовища, що дозволяє отримати механічну характеристику ТСП шляхом врахування взаємозв'язку деформаційно-силових характеристик ТЧЕ зі ступінню та швидкістю реалізації фазових перетворень в усьому інтервалі температур експлуатації регуляторів систем змащування суднових ГТД.

Сформульовано технічні умови на спеціалізовану експериментальну установку для комплексного дослідження ТЧЕ зі СПФ в умовах наближених до реальних в СЕУ та формування необхідного рівня їх експлуатаційних характеристик. Виходячи з цих умов, було спроектовано й виготовлено експериментальний стенд для дослідження ТЧЕ (лінійного та пружинного виду) терморегулюючих пристроїв систем змащування. Стенд виконаний на модульних принципах і складається зі змінних блоків, які забезпечують можливість здійснення різних схем навантаження та проведення випробувань в різних режимах ("м'який" і "жорсткий" режими, методи постійного навантаження та деформації, ізотермічний), що дозволяє наблизити умови термомеханічного впливу при випробуваннях до умов експлуатації ТЧЕ в системах змащування ГТД. Конструкція захватних вузлів передбачає можливість встановлення різних видів дослідних зразків, нагрів яких здійснюється за допомогою ультратермостата УТУ-2/77, а також прямим пропусканням електричного струму. В цьому ж розділі охарактеризовані прилади та устаткування, що використовуються при реалізації експериментальної програми.

В розділі 3 приведено математичну модель термомеханічної поведінки пружинних ТЧЕ зі СПФ для регулятора температури систем змащування суднових ГТД та проведено оцінку її адекватності результатам експериментальних досліджень; методики проектування пружинних ТЧЕ та ТСП на їх основі для ВП систем СЕУ.

Для механізмів одноразової дії систем СЕУ (аварійно-попереджувальні та захисно-запобіжні пристрої), виходячи з теоретичних передумов, розроблено методику проектування силового ТЧЕ у вигляді циліндричної пружини стиску з витками круглого поперечного перерізу. Методика базується на припущенні, що зусилля й кутові деформації матеріалу ТЧЕ в гарячому та холодному станах (Р_А, _А та Р_М, _н відповідно) задовольняють співвідношенню

,

де ; , - відповідно тангенціальне напруження і деформація зсуву матеріалу силового елементу.

Для описання термомеханічної поведінки пружинних ТЧЕ з ЕПФ в інтервалі температур регулювання запропоновано математичну модель, яка базується на рівняннях кінетики фазового переходу з використанням концепції внутрішньої змінної механіки суцільного середовища і для елементу, що працює на кручення, подається системою рівнянь:

(1)

при умовах

(2)

де K і m - параметри матеріалу; G - модуль зсуву СПФ; - внутрішня змінна (характеризує ступінь розвитку перетворення); М_п, А_п - характеристичні температури початку відповідно прямого і зворотного МП; Т - температура елемента; t - час; a_М, b_М, a_А, b_А - параметри матеріалу, що визначають кінетику фазового переходу; _з, _об - сумарна залишкова та оборотна деформації.

Модель описує взаємозв'язок деформаційно-силових і температурних параметрів ТЧЕ регулятора в інтервалах фазових перетворень та кінетику прямого і зворотного МП, що можливі тільки при термомеханічних умовах та відповідно.

Базуючись на математичній моделі розроблено методику проектування ТСП циклічної дії з пружинними елементами для ВП систем СЕУ. Фазовий перехід розглядається як процес, який відбувається за кінцевий інтервал часу, що дозволяє, виходячи з рівняння енергетичного балансу, отримати сукупність виразів, які визначають механічну характеристику виконавчого елементу з ЕПФ:

(3)

де N_р - потужність, що підводиться від зовнішнього джерела теплової енергії; (Т) - тепловий к.к.д. приводного елементу;; F, r, - відповідно площа, радіус і поточна координата перерізу дроту пружинного елементу; l, R - довжина дроту і радіус витка пружини; _р - деформація зсуву, що відповідає робочому ходу; с, М - теплоємність СПФ і маса силового елементу; Р - зусилля, що розвиває пружинний елемент з ЕПФ; _min - величина забороненої деформації при повному робочому ході; ; _Н, _п - абсолютні значення відповідно деформації наведення (відповідає зсуву _н) і деформації формовідновлення пружини з ЕПФ; n - кількість витків пружини.

Керування приводом здійснюється варіюванням інтенсивності нагріву, тобто заданням функції Т(t). При цьому досягається зміна швидкості переміщення виконавчої ланки в широких межах без зміни навантажувальної здатності. Вказано способи оцінки к.к.д. ТСП і дані рекомендації по його підвищенню.

Для визначення областей застосування ТСП на основі пружинних ТЧЕ в малогабаритних ВП систем СЕУ по швидкодії та споживаній потужності, а також для оцінки продуктивності технологічних процесів і пов'язаних за ними енерговитрат отримано залежність, що дозволяє встановити взаємозв'язок часу спрацювання t_с, споживаної потужності електричного струму, температури, геометричних і енергетичних характеристик силового елементу:

, (4)

де ; ; ; ; ; ; ; U - підведена напруга електричного струму; - температура закінчення зворотного МП під напруженням ; R₀, _о - загальний та питомий електричний опір матеріалу при температурі Т₀; _е - термічний коефіцієнт опору; _Н - коефіцієнт конвективної тепловіддачі в процесі нагрівання; F_п - охолоджувана поверхня зразка; Т_н - температура навколишнього середовища.

Запропоновано спосіб узгодження силових елементів з джерелом електричної енергії шляхом застосування секційних приводів.

Розглянуто розрахунок РТМ з пружинними ТЧЕ системи змащування суднового ГТД, що дозволяє встановити взаємозв'язок температур мастила на вході в двигун і на виході з нього для заданої температури регулювання (50єС) і розрахованої форми поперечного перерізу вікон регулятора.

Виходячи з зіставлення результатів теоретичних розрахунків по рівнянням систем (1), (2), (3) і (4) з результатами експериментальних досліджень термомеханічних характеристик пружинних ТЧЕ, виготовлених з нікеліду титану (ТН-1К і ВСП-1), і РТМ на їх основі, зроблено висновок про задовільну відповідність запропонованої теорії реальним залежностям --Т (розбіжність у межах похибки експерименту 5...10 %), що підтверджує адекватність і свідчить про достовірність прийнятої моделі.

В розділі 4 розглянуті результати експериментальних досліджень впливу різних факторів на характеристики та визначені способи цілеспрямованого формування параметрів пам'яті форми пружинних ТЧЕ зі сплавів типу нікеліду титану ВСП-1 і ТН-1К для регулятора температури прямої дії системи змащування ГТД.

Формування орієнтованого мартенситу в матеріалі ТЧЕ здійснювалось спеціальним режимом ТСЦ, коли при охолодженні зовнішнє напруження різко зменшується і не викликає в мартенситі накопичення пошкоджень. Враховуючи що вихідний стан матеріалу пружинних ТЧЕ неоднаковий в центральному та периферійному шарах зразка, в роботі вивчено вплив ступеня попередньої деформації зсуву матеріалу пружини на її деформаційно-силові характеристики. З точки зору ефективності ТСЦ, компактності силового вузла та збільшення корисної роботи циклу деформацію наведення доцільно проводити до торкання витків пружини, тому варіювання ступеня деформування досягалось зміною кута підіймання витка від 9 до 22.

Експерименти показали, що ТСЦ необхідно віднести до комплексу попередніх фізико-механічних впливів, що формують оптимальні функціональні характеристики пружинних ТЧЕ регулюючих пристроїв. Жорсткий режим ТСЦ, коли в матеріалі зразків генеруються максимальні реактивні напруження при відсутності переміщень, дозволяє найбільш ефективно впливати на характеристики ТЧЕ і супроводжується: зниженням напружень наведення _н на 45…60 %, зменшенням залишкової деформації _з в циклі та стабілізацією її величини на рівні 30 % від , зростанням ступеня відновлення форми до 100 %, формуванням стабільного оборотного ЕПФ (значення відносної оборотної деформації після ТСЦ перевищує 60 % від максимально можливої деформації пружини). Перелічене призводить до значного збільшення корисних напружень і роботи термоциклу пружин з ЕПФ. Оптимальна кількість циклів для пружинних ТЧЕ регулюючих пристроїв залежить від та виду ефекту, що стабілізується, і становить від 100 до 250 циклів.

Збільшення кута підіймання витка пружини з 14 до 22 призводить до зростання деформації наведення _н в 1,8 рази та реактивних напружень, що розвиваються в процесі реалізації ЕПФ, на 25 %. При цьому величина деформації пам'яті форми після стабілізуючого ТСЦ зростає в 2,1 рази.

Експериментальні дані вказують на якісну зміну деформаційно-силових характеристик пружинного елементу при ТСЦ з збільшенням ступеня попередньої деформації, що дозволяє рекомендувати "жорсткий" режим стабілізуючого ТСЦ з , яка досягає граничної деформації фазової пластичності _гр, при формуванні експлуатаційних параметрів пружинних ТЧЕ приводів циклічної дії терморегулюючих пристроїв для систем змащування суднових ГТД. При цьому деякий програш в термічно оборотній деформації _п після ТСЦ компенсується збільшенням деформації наведення, зниженням (практично до нуля) необоротної складової _з деформації й підвищенням корисної роботи циклу приводу.

Порівняння способів попереднього навантаження вказує, що для підвищення рівня корисних напружень елементів циклічної дії терморегуляторів систем змащування ГТД й інших регулюючих пристроїв деформацію наведення доцільно проводити в процесі реалізації ефекту пластичності перетворення (ЕПП).

Отримано апроксимуючі залежності, що дозволяють оцінювати зміни деформаційно-силових характеристик ТЧЕ в процесі термомеханічних впливів при різних значеннях деформації наведення _н і кількості циклів N. Вказані залежності мають наступний вигляд: для відносного максимального напруження наведення деформації в мартенситному стані ; для відносних максимальних напружень наведення деформації в інтервалі МП та реактивних напружень (де ; А_і, В_і - константи, які характеризують циклічні властивості сплаву). Вплив стабілізуючого ТСЦ на сумарну залишкову деформацію та оборотну деформацію описується аналогічними експоненціальними залежностями.

Встановлено, що температурний інтервал спрацювання ТЧЕ зі сплавів ВСП-1 і ТН-1К під впливом зовнішнього напруження зміщується в область більш високих температур. Зсув характеристичних температур в досліджуваній області напружень до 250 МПа для нікеліда титану має лінійний характер. При цьому інтенсивність підвищення температур зворотного МП вище, ніж прямого (0,15 і 0,13С/МПа відповідно), що призводить до розширення гістерезису перетворення.

Результати дослідження швидкості деформації при відновленні форми ТЧЕ вказують, що час відновлення t (нагрів здійснювався прямим пропусканням електричного струму) при збільшенні потужності N_е зменшується і залежність має параболічний характер. В діапазоні підведеної потужності струму до 500 Вт швидкість відновлення форми пружинних зразків прямопропорційна інтенсивності нагріву .

Дослідження пружинних ТЧЕ після стабілізуючої термомеханічної обробки і відповідного настроювання у складі РТМ дало наступні результати: зона пропорційності 45…50єС; відхилення статичної характеристики від лінійної не перевищує 15%; постійна часу 2…3 секунди; зона нечутливості терморегулятора при нагріванні чи охолодженні мастила не перевищує 3єС. Перелічене забезпечує температуру змішаного потоку мастила в інтервалі 37…60єС при температурі на виході з УТУ-2/77 (імітує ГТД) до 120…130єС, що відповідає технічним вимогам систем змащування ГТД суден на повітряній подушці.

Розділ 5 присвячено питанням застосування ТСП в системах СЕУ. Наведено результати впровадження результатів досліджень та техніко-економічне порівняння приводів виконавчих пристроїв систем СЕУ.

Проведено розрахунок показників функціонування та конструктивних параметрів ТСП циклічної дії з пружинними ТЧЕ, що працюють в циклі з контртілом, на базі якого виконано конструкторську проробку й практичну реалізацію РТМ прямої дії для модернізації систем змащування двигунів ДП73, ДП79 суден на повітряній подушці для "Singapore Technologies Marine", а також для заміни традиційних регуляторів, що використовуються в системах змащування ГПА і пересувних ГТГ (двигуни ДН70, ДГ90Л2 й інші) з метою вдосконалення процесу регулювання температурного режиму експлуатації систем з повітряним охолодженням мастила.

Регулятор недистанційного типу призначений для автоматичного підтримування заданої температури мастила шляхом регулювання кількості мастила, що протікає через повітряно-масляний радіатор 5. Принцип дії РТМ базується на переміщенні регулюючого органу 7 в залежності від ступеня реалізації фазового перетворення в матеріалі ТЧЕ 6 при зміні їх температури. При цьому співвідношення кількості мастила в лініях "байпасу" й маслоохолоджувача визначається регульованою температурою. Схема ТСП дозволяє регулювати температурний діапазон спрацювання, робочий хід і зусилля регулюючого органу.

Застосування запропонованого РТМ дозволяє розширити діапазон регулювання температур (зона пропорційності 45…50С); підвищити допустиме температурне перевантаження ТЧЕ до 85…105С і його циклічну стійкість (до 10⁵…10⁶ циклів); скоротити постійну часу до 2…3 секунд; підвищити номінальний хід регулюючого органу до 25…30 мм і вище (що важливо при проектуванні РТМ для ГТД з магістралями мастила діаметром до 120 мм); зменшити масу, габарити і спростити конструкцію в цілому. Це дає можливість збільшити технічний ресурс РТМ, а також ресурс апаратів повітряного охолодження та їх електрокомутаційної апаратури за рахунок можливості застосування "перепуску" при регулюванні температурного режиму експлуатації систем змащування з повітряним охолодженням мастила ГТД суден на повітряній подушці, ГПА і пересувних ГТГ.

З'являється можливість відмовитися від закупівлі імпортних терморегуляторів і виготовляти їх на власному виробництві при значно менших матеріальних витратах; відновлювати елементи ТСП в умовах ремонтних підприємств при порівняно невеликих витратах, що практично неможливо при використанні поширених на сьогодні герметичних перетворювачів. Перелічене веде до підвищення експлуатаційної надійності обладнання системи змащування й пов'язаної з нею системи охолодження; дозволяє зменшити експлуатаційні витрати, вартість і час ремонтних робіт, підвищити надійність підтримування необхідних теплових режимів роботи підшипників головної трансмісії, зубчастих зчеплень коробок приводів і навішаних агрегатів; покращити масогабаритні показники ВП систем СЕУ.

Рекомендації щодо розрахунку ТСП та їх експлуатації, розроблена робоча документація на РТМ передані відділу агрегатів та маслосистем ДП НВКГ "Зоря-Машпроект". Вони були використані при виготовленні дослідного зразка регулятора температури (креслення ЭПФ078000СБ) і проведенні його монтажу на стенді підприємства для визначення теплотехнічних характеристик та надійності роботи в умовах реальної експлуатації у складі системи змащування ГТД типу ДП73, ДП79, ДН70.

Виготовлено й оптимізовано ТСП з пружинними ТЧЕ для дослідних зразків конденсатовідвідників, змішувачів і терморегуляторів на їх основі. Впровадження цих зразків на ряді підприємств машино- і суднобудування в системах загальнопромислового і суднового призначення вказує на перспективність використання ТСП на базі функціональних матеріалів з ЕПФ у термочутливих приладах та приводах малогабаритних ВП систем СЕУ.

Розроблено схему термомеханічного регулятора для систем СЕУ, який може керувати тиском, витратами, температурою й іншими параметрами потоку в залежності від вибору датчиків регульованого параметру (може бути встановлений замість перепускного крану 2 в системах змащування двигунів ДП73 і ДП79). Розглянуто особливості побудов на діаграмі робочого циклу ТСП з контртілом, які дозволяють визначити необхідний об'єм вихідної інформації й послідовність операцій при проектуванні виконавчих механізмів з ЕПФ. Крім того, розглянуті шляхи формування теплового режиму ТЧЕ і управління ТСП можуть служити рекомендаціями по проектуванню систем управління виконавчими механізмами на базі СПФ.

Для систем, призначених для автоматичного дистанційного виміру та контролю параметрів стану (рівня, меж поділу, температури) рідких середовищ (вода, мастило, пальне, нафта, газ), що зберігаються в цистернах і баках систем СЕУ та загальносуднових систем, запропоновано пристрій, який оснащено ТСП, захищений Патентом України. Вирішено задачу підвищення точності вимірів температури шляхом удосконалення конструкції чутливого елементу. Для цього чутливий елемент виконано у вигляді двох ізольованих один від одного провідників, між якими із зазором поміщено рухому індикаторну пластину, з'єднану з ТСП (базується на використанні ТЧЕ, що володіє оборотним ЕПФ).

У заключній частині зроблено висновки щодо дисертаційної роботи, проведено аналіз теоретичного і практичного значення результатів, дано рекомендації по раціональному їх використанню. У додатку подано методику розрахунку пружинних ТЧЕ; розглянуто проектно-технологічні аспекти, пов'язані з ТСП, що визначають об'єм і послідовність конструкторсько-технологічних заходів на кожній стадії проектування; розглянуто загальні стадії технологічних схем застосування СПФ в засобах автоматизації систем СЕУ. Подано специфікацію та креслення РТМ, документи по впровадженню результатів роботи, Патенти України №№ 33895А, 52100А, довідку про метрологічний контроль досліджень.

Основні результати і висновки роботи

Обґрунтовано доцільність і експериментально підтверджено ефективність застосування функціональних матеріалів з ЕПФ в якості силових і термочутливих елементів приводів циклічної дії малогабаритних ВП систем СЕУ з метою вдосконалення останніх. Використання ТСП дає такі переваги: покращення масогабаритних показників; спрощення конструкції і підвищення технологічності, надійності та екологічної безпеки.

Запропоновано математичну модель термомеханічної поведінки ТЧЕ з ЕПФ для регулятора температури мастила, що працюють на кручення, в інтервалі температур МП, який відповідає тепловим умовам експлуатації систем змащування суднових ГТД. Розроблена теорія, що базується на рівняннях кінетики фазового переходу з використанням концепції внутрішньої змінної механіки суцільного середовища, дозволяє отримати механічну характеристику пружинного ТЧЕ регулятора у вигляді залежності зусиль, що розвиваються, і переміщень від часу. Оцінка адекватності моделі вказує на задовільну відповідність результатів теоретичних розрахунків і експериментальних досліджень термомеханічних характеристик пружинних елементів з нікеліду титану (розбіжність у межах похибки експерименту 5…10%).

Отримано залежність, яка дозволяє встановити взаємозв'язок часу спрацювання, споживаної потужності, температури, геометричних і енергетичних характеристик пружинного силового елементу та визначити можливі області застосування ТСП в системах СЕУ по швидкодії та споживаній потужності. В діапазоні підведеної потужності електричного струму до 500 Вт швидкість відновлення форми пружинних ТЧЕ пропорційна інтенсивності нагрівання .

При формуванні експлуатаційних параметрів пружинних ТЧЕ регулюючих пристроїв систем змащування суднових ГТД рекомендується "жорсткий" режим стабілізуючого ТСЦ з попередньою деформацією , яка досягає граничної деформації фазової пластичності _гр. При цьому деякий програш в термічно оборотній деформації _п після ТСЦ компенсується збільшенням деформації наведення, зниженням (практично до нуля) необоротної складової _з деформації, зростанням ступеня відновлення форми до 100 %, зменшенням напружень наведення _н, формуванням оборотного ЕПФ (при відповідній попередній термообробці), що призводить до значного зростання корисної роботи циклу приводу. Раціональна кількість циклів для пружинних ТЧЕ регулюючих пристроїв залежить від виду ефекту, що стабілізується, і становить від 100 до 250.

Температурний інтервал спрацювання ТЧЕ регулятора під впливом зовнішнього напруження зміщується в область більш високих температур. Зсув характеристичних температур в області напружень до 250 МПа для нікеліда титану має лінійний характер. При цьому інтенсивність підвищення температур зворотного МП вище, ніж прямого, що призводить до розширення гістерезису перетворення.

Для проектування регулятора температури системи змащування суднового ГТД і малогабаритних засобів автоматизації систем СЕУ на базі СПФ розроблено методики розрахунку силових ТЧЕ у вигляді циліндричних пружин стиску з витками круглого поперечного перерізу та проектування ТСП на їх основі. Вказано спосіб оцінки к.к.д. ТСП і дані рекомендації по його підвищенню. Отримано апроксимуючі експериментальні дані залежності, що дозволяють оцінювати зміну деформаційно-силових характеристик пружинних ТЧЕ регулятора в процесі експлуатації при різних значеннях деформації наведення й кількості термоциклів.

Для модернізації систем змащування суднових двигунів ДП73 і ДП79 сумісно з ДП НВКГ "Зоря-Машпроект" проведено конструкторську проробку і практичну реалізацію дослідного зразка регулятора температури прямої дії на базі ТСП циклічної дії з ТЧЕ пружинного вигляду зі сплаву ТН-1К. Характеристики розробленого регулятора відповідають особливостям роботи систем змащування ГТД, що дає можливість застосувати регулювання температурного режиму експлуатації за принципом "перепуску" в системах змащування з повітряним охолодженням мастила двигунів СПП, КПП, ГПА, пересувних ГТГ.

Комплексне вирішення завдання по створенню приводів на основі функціональних матеріалів (математична модель, інженерна методика розрахунку, практична реалізація) відкриває нові можливості при проектуванні й удосконаленні автоматичних виконавчих пристроїв для систем СЕУ у взаємозв'язку з типом та умовами судна.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Полищук В.А. Моделирование термомеханических параметров функциональных материалов для приводов систем СЭУ// Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 2002.- № 2.- С. 99-110.

2. Соловьев С.Н., Полищук В.А., Николаев А.Л. Методика расчета термомеханических двигателей с пружинными силовыми элементами из сплавов с памятью формы // Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 2001.- № 6.- С. 58-67.

3. Полищук В.А. Перспективы применения функциональных материалов в СЭУ // Кораблебудування: освіта, наука, виробництво: Матеріали Міжнар. конф: В 2 т. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - Т. ІІ. - С. 86-88.

4. Полищук В.А. Проектирование термомеханических приводов для масляных систем СЭУ // Кораблебудування: освіта, наука, виробництво: Матеріали Міжнар. конф: В 2 т. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - Т. ІІ. - С. 78-79.

5. Полищук В.А., Пилипчак В.И. Применение сплавов с памятью формы в регуляторе температуры системы смазки ГТД// Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 2002.- № 7.- С. 75-84.

6. Пристрій для визначення параметрів стану рідких середовищ / С.М. Соловйов, Ю.Д. Жуков, Б.М. Гордєєв, В.А. Поліщук, В.М. Чегринець // Патент України № 33895А, Бюл. № 1, 2001 р.

7. Поліщук В.А., Пилипчак В.І., Миронов О.Г. Регулятор температури / Патент України № 52100 А, Бюл. № 12, 2002 р.

8. До розрахунку силових приводів зі сплавів з ефектом пам'яті форми (ЕПФ) термостатів автотракторних двигунів / А.К. Албантов, В.А. Поліщук, В.І. Пилипчак, В.В. Мамарін // Вісник аграрної науки Причорномор'я. - Миколаїв: МДСГІ, 1998.- Вип. 5.- С. 109-113.

9. Соловьев С.Н., Полищук В.А. Технические условия на экспериментальную установку для исследования сплавов с памятью формы // Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 1999.- № 1.- С. 93-100.

10. Полищук В.А. Влияние различных факторов на скорость восстановления деформации силового элемента с эффектом памяти формы // Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 2000. - № 2. - С. 87-98.

11. Исследование влияния геометрических параметров на характеристики силовых элементов из сплавов с эффектом памяти формы. А.К. Албантов, В.И. Пилипчак, В.А. Полищук, В.В. Ершов, В.Н. Мирошниченко // Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 2002. - № 1.- С. 46-51.

12. Исследование влияния термической и термомеханической обработки на характеристики силовых элементов из сплавов с памятью формы. А.К. Албантов, В.И. Пилипчак, В.А. Полищук, В.В. Ершов, В.Н. Мирошниченко // Зб. наук. пр. УДМТУ.- Миколапв: УДМТУ, 2001. - № 1. - С. 54-60.

13. Совершенствование термосиловых приводов с эффектом "памяти формы" и расширение области их применения в промышленности / А.К. Албантов, В.И. Пилипчак, В.Н. Мирошниченко, В.А. Полищук, В.В. Мамарин // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Тез. докл. 2-й Междунар. науч.-техн. конф. - Николаев: УГМТУ, 1998. - С. 27.

14. Албантов А.К., Полищук В.А. Исследование пружинных термосиловых приводов с эффектом "памяти формы" (ЭПФ) // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Тез. докл. 2-й Междунар. науч.-техн. конф. - Николаев: УГМТУ, 1998. - С. 34.

15. Поліщук В.А., Козленко О.О. Проектування пружинних виконавчих елементів зі сплавів з ефектом пам'яті форми // 6-й Міжнар. симпозіум українських інженерів-механіків у Львові: Тез. доп. - Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - 2003. - С. 93.

Размещено на Allbest.ru

...