Разработка метода обеспечения надежности золотниковых пар топливорегулирующей аппаратуры ГТД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2009

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта

№ 147

УДК 621.89

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЗОЛОТНИКОВЫХ ПАР ТОПЛИВОРЕГУЛИРУЮЩЕЙ

АППАРАТУРЫ ГТД

Е.А. КОНЯЕВ, С.П. УРЯВИН

Определены параметры ультразвукового излучателя, необходимые и достаточные для отрыва отказавших золотников агрегатов ГТ Д.

Ключевые слова: топливорегулирующая аппаратура, золотниковая пара, надежность.

1. Физическая картина влияния заедания золотников топливорегулирующей аппаратуры на надежность работы ГТД

Наибольшее влияние на надежность работы ГТД и безопасность полетов оказывают отказы золотниковых пар: клапана постоянства перепада давления (КППД), управления перекладкой лопаток входного направляющего аппарата, управления переключением отбора воздуха в компрессоре и др.

Рассмотрим физическую картину самопроизвольного выключения двигателя Д-30КУ/КП при отказе золотника КППД.

Система автоматического регулирования двигателя на стационарном режиме работы в процессе взлета, набора высоты и горизонтального полета выполняет программу:

^д = const (a руд), (1)

т.е. поддерживает постоянными обороты ротора высокого давления (ВД) при неизменном положении аруд.

Эту функцию выполняет центробежный регулятор оборотов, управляющий золотник которого, находясь во вращательном движении, в меньшей степени подвержен влиянию микрозагрязнений и смолообразованию.

Чувствительность регулятора h (точность поддержания частоты вращения) определяется производной от функции перемещения золотника регулятора у по оборотам n:

_ dy

dn

На рис. 1 показана зависимость y = y(n), которая имеет вид y(n) = А0 + Вп2 и ее производная h, зависимость y = y (n), которая имеет вид h = Вп.

h

(2)

Рис. 1. Зависимость y = y (n) и точности поддержания h от частоты вращения n

Анализ зависимостей у = у (п) и Л = Л (п) показывает, что регулятор оборотов обладает хорошей чувствительностью на больших режимах (взлет, ном), удовлетворительной на 0,5 ном, крейсерском и низкой чувствительностью - на режимах малый газ, 0,2 ном, 0,4 ном.

На пониженных режимах работы используется вторая программа регулирования:

GT = const (а руд),

(3)

реализующая задачу поддержания постоянства подачи топлива при данном а руд. Диапазон работы этой программы принято называть диапазоном ручного регулирования.

В этом диапазоне дросселирующим устройством является дроссельный кран (ДК). Расход топлива через ДК определяется выражением:

Gt =

Ддк гдк^ 2pT АРдК ,

(4)

где тдк - коэффициент расхода, определяемый формой окна ДК:

БдК - площадь проходного сечения ДК; рТ - плотность топлива;

АРдк = Рдк - Рф, - перепад давления на ДК, где Рдк - давление перед ДК; Рф - давление топлива перед форсунками, Бдк меняется при изменении а руд.

Для выполнения программы Gt = const (а руд) необходимо поддерживать перепад АРдк постоянным, т.е. установить дополнительный регулятор, выполняющий программу АРдк= const. Эту функцию выполняет клапан поддержания постоянства перепада давления (КППД).

При увеличении режима работы ДК увеличивает свое проходное сечение, перепад АРдк уменьшается, золотник КППД перемещается под действием усилия пружины Рпр влево, что приводит к увеличению подачи топлива Gt до установления равновесия (рис. 2):

Р

F3 = Рф F3 + Рпр, т.е. АРдк = Рпр * -1.

ДК г3

і

Рк

■1/ Рпр

Жр

ш 1

Ряк | г

на ТР§к (|Gt)

Рис. 2. Силы, действующие на золотник КППД

Рф

Ввиду того, что пружина золотника выполняет функции элемента настройки регулятора АРдк = const и регулирующего органа, то по мере открытия ДК усилие пружины будет уменьшаться; т.е. регулятор обладает статизмом (статической ошибкой регулирования). При дальнейшем открытии ДК золотник полностью открывает проходное сечение на увеличение подачи и выключается из работы, устанавливаясь в крайнее левое положение.

В таком положении золотник находится в течение всего полета до начала снижения с эшелона, т.е. в течение длительного времени золотник КППД находится в статическом (выключенном) положении, что способствует полимеризации смол и его залипанию (заеданию).

При уменьшении режима работы в процессе снижения золотник КППД, находясь в крайнем левом положении вследствие его залипания, не в состоянии выполнить поставленную задачу по поддержанию АРдк= const, подача топлива уменьшается ниже требуемой для работы двигателя на малом газе, происходит самовыключение двигателя. Аналогичная картина наблюдается и при залипании золотников управления перекладкой лопаток входного направляющего аппарата и отбора воздуха в компрессоре.

2. Методы снижения трения золотниковых пар при ультразвуковом воздействии

Трение - механическое сопротивление, возникающее в плоскости касания двух соприкасающихся тел при их относительном перемещении. Сила сопротивления F, направленная противоположно относительному перемещению данного тела, называется силой трения; она зависит от коэффициента сухого трения д силы P, с которой одно тело прижимается к другому, и других факторов. На преодоление силы трения затрачивается определенная работа.

Если в одном из соприкасающихся тел возбудить узловые колебания с частотой f, то сила трения уменьшается; соответственно за счет энергии узловых колебаний уменьшается и работа на преодоление трения. Возможны два случая ориентации колебаний. Первый - когда колебательные смещения X ориентированы перпендикулярно к плоскости соприкосновения тел (рис. 3, а) а, следовательно, и направлению скорости их относительного перемещения V. По мере увеличения амплитуды узловых колебаний Xm возрастает амплитуда колебательного ускорения (2pf)2%m, а также колебательная сила, амплитуды которой Nm. Если величина Nm превосходит силу P, то возникает периодический отрыв соприкасающихся тел друг от друга. Сила трения при этом действует не все время, а только в те доли периода колебаний T = 1/f, когда тела соприкасаются. Можно считать, что в этих условиях имеет место эффективная сила трения F, величина которой меньше F. Если Nm>> P, то эффективная сила трения стремиться к нулю.

Во втором случае (рис.3,б) колебания ориентированы параллельно плоскости соприкосновения тел и постоянной скорости V, поэтому контакт тел не прерывается.

P I P

L_ 1А

и А и

a б

Рис. 3. Направление перемещения тела и ориентация узловых колебаний

Направления узлового смещения в течение одной половины периода совпадает с направлением движения тела, а в течение другой половины - противоположно ему. Если амплитуда колебательной скорости Xт = 2pfXm<u, то при сложении скоростей (рис.4, а) вектор суммарной скорости ис все время совпадает с направлением движения тела и сила трения сохраняет свое

направление и величину такими же, как и в отсутствии узлов. При X> ив течение части периода, равной 72 Т - 2ti (рис.4, б), вектор ис направлен в сторону, противоположную движению тела и, следовательно, сила трения оказывается направленной в ту же сторону, что и вызывающая движение тела внешняя сила. То есть сила трения способствует движению тела, уменьшая необходимую для этого внешнюю силу. В этом случае также можно ввести эффективную силу трения F <F, причем F » F/n, где n = Р2 * X ипри X> и.

Эти эффекты влияния узловых колебаний на трение могут использоваться для снижения трения, устранения заедания в осях приборов и др.

Рис. 4. Сложение колебательной скорости Хи постоянной скорости и и происходящее при этом изменение силы трения ¥Т между соприкасающимися телами:

а - при и>Х; б - при ь<Х

В однородной изотропной бесконечно протяженной твердой среде могут распространяться упругие волны только двух типов: продольные и сдвиговые. В продольных волнах движение частиц происходит параллельно направлению распространения волны, а деформация представляет собой комбинацию всестороннего сжатия (растяжения) и чистого сдвига. В сдвиговых волнах движение частиц перпендикулярно направлению распространения волны, а деформация является чистым сдвигом. В безграничной среде распространяются продольные и сдвиговые волны трех типов: плоские сферические и цилиндрические. Их особенность - независимость фазовой и групповой скоростей от амплитуды и геометрии волны.

Таблица 1

Постоянные упругости и скорости продольных и сдвиговых волн в различных средах

Среда Т,0С Р 10-3 кг/м3 К 10-10 Н/м2 10-10 кг/м2 С км/с с км/с

Воздух 20 1,29.10-3 1,52.10-5 — 0,343 ---

Вода 25 0,997 0,233 --- 1,497 —

Трансформаторное масло 32,5 0,895 0,179 — 1,425 ---

Алюминий 20 2,70 7,24 2,59 6,26 3,08

Железо 20 7,80 15,59 8,04 5,85 3,23

Свинец 20 11,4 4,35 0,568 2,16 0,70

Латунь 20 8,10 10,94 3,65 4,43 2,12

Кварцевое стекло 20 2,60 3,78 3,20 5,57 3,52

Фарфор 20 2,41 3,55 2,33 5,34 3,12

Плексиглас 20 1,18 0,582 0,148 2,67 1,12

Каучук 20 0,90 — 1,48 —

Фазовая скорость продольных волн в неограниченной твердой среде с = ^(К + 4/3т)/ р

сдвиговых - с = р , где т - модуль сдвига. Величины с^ с для разных сред колеблются в пределах от долей км/с до 10 км/с (табл. 1).

В ограниченных твердых телах (пластина, стержень), представляющих собой твердые волноводы, распространяются нормальные волны, каждая из которых является комбинацией нескольких продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под острыми углами к оси волновода и удовлетворяющих (в совокупности) граничным условиям на поверхности волновода. Число n нормальных волн, которые могут распространяться в пластине или стержне, определяется их толщиной или диаметром d, частотой w и модулями упругости среды. При увеличении wd число нормальных волн возрастает, и при wd® ¥ n® ¥

В бесконечной пластине существуют два типа нормальных волн: Лэмба волны и сдвиговые волны. Плоская волна Лэмба характеризуется двумя составляющими смещений, одна из которых параллельна направлению распространения волны, другая перпендикулярна граням пластины. В плоской сдвиговой нормальной волне смещения параллельны граням пластины и одновременно перпендикулярны направлению распространению волны. В цилиндрических стержнях могут распространяться нормальные волны трех типов: продольные, поперечные и сдвиговые.

3. Определение параметров ультразвукового излучателя

Постановка задачи

Имеется цилиндрический корпус массой тк. Внутри корпуса размещен неподвижный золотник массой m3 и длиной l3, удерживаемой в корпусе силой сухого трения Fmp. Определить параметры вибрационного возбуждения корпуса, необходимого и достаточного для отрыва золотника от корпуса.

Получение расчетных зависимостей

Из трех видов волн, реализуемых в стержнях (продольные, поперечные, сдвиговые) выбираем продольные волны, направление распространения которых совпадает с требуемым направлением перемещения золотника после его отрыва. Для возбуждения продольных колебаний корпуса (и золотника) может быть использован электродинамический, пьезоэлектрический или ультразвуковой генератор, реализующий периодическое смещение торца корпуса по закону:

y = yoSin( wt + Y),

где yo - амплитуда продольного смещения; а - круговая частота (число продольных колебаний за 2 к секунд).

Каждая из точек корпуса (в том числе и золотник) испытывает ускорение:

j = y = -y0 а2 sin (a t + y).

В результате на золотник действует инерционная сила:

P3j = m3 * j = -m3y0 а 2 sin (a t + y), амплитудное значение которой равно:

3 2

P j max = -m3y0 a .

Для отрыва золотника необходимо и достаточно, чтобы инерционная сила P3j max, действующая на золотник, превысила силу сухого трения покоя:

33

P j max >Fmp или P j max = m3 j max >Fmp , где P3j max = m3 y0 a 2 = m3y0 (2k)2 * f2.

С увеличением частоты продольных колебаний f инерционная сила возрастает по квадратичной зависимости.

Предельное значение частоты продольных колебаний определяется из условия размещения полуволны 1/2 на длине золотника l (рис. 5).

1 2

Рис. 5. Положение полуволны продольных колебаний, обеспечивающее возможность смещения золотника

Только в этом случае весь золотник находится в одной фазе смещения. Значение предельной частоты продольных колебаний найдем из выражения:

с = л-f

где с - скорость звука в металле м/с: 1 - длина волны продольных колебаний: f - частота колебаний.

c l

Тогда: 1 = f г 2 ■ то есть частота fпродольных колебаний уд— у—

f £ 2c.

l

Для стали с = 5850 м/с, при длине золотника в пределах l» 0,03...0,06 м получим f »195.97,5 кГц. Это соответствует ультразвуковому диапазону волн.

Кинетическая энергия колебаний золотника в фазе максимальной скорости равна:

mV 2 max

а учитывая, что

получим:

V3 max

2

Л

2ж/

Тз

m * j

ГП3 Jn

2 * (2p)2 * f2

Тогда мощность ультразвукового излучения, приходящаяся на золотник, будет равна:

N3 = Тз * f =

m3* jmax

Bp2* f

^ГТР лг т3* ГТР ¥ТР

а учтгаая что ]таХ >----, получим N3 > = -.

т3 8р * ут3 8р * / * т3

Мощность УЗ-излучателя, необходимая для возбуждения колебаний всего клапана КППД,

т * Р2

определится выражением: NКППд > —КппД--------Тр, где тКППД - масса всего клапана КППД вместе с

8р * /т32

золотником.

Таким образом, определены параметры ультразвукового излучения, необходимые для отрыва золотника от корпуса:

2с т * Г2

/ < 2е; Nкппд > ткппд Ртр

і 8ж2 * ут32

Ниже в качестве примера приведен расчет произвольного золотника . Исходные данные:

масса золотника т3 = 0,03 кг;

масса корпуса тк = 0,2 кг;

длина золотника і = 0,03 м;

сила трения Гтр = 500 Н;

скорость звука (в металле) С = : 5850 м/с;

кпд излучателя п = = 0,6.

Определим параметры УЗ-излучателя: мощность и частоту продольных колебаний.

Частота продольных колебаний / может быть найдена из уравнения:

2С Г < — і

После подстановки исходных данных получим:

= 2*5850 = 390

0,03

Поскольку длина полуволны должна быть больше длины золотника, выбираем частоту УЗ-излучателя равной / = 350 кГц.

Определим потребную мощность излучения по формуле:

2

т г

N = ТР

Л8р т з/

После подстановки исходных данных получим:

0,2*5002

N =---------2-----2--------- = 3,35Вт.

0,6*8р *0,032 *350*103

Аналогичным образом могут быть рассчитаны параметры УЗ излучателя для других массово-геометрических характеристик золотника, корпуса и применяемых материалов.

Выводы из полученных формул:

• чем больше сила трения, тем больше мощность излучения, необходимая для отрыва золотника;

• чем больше масса золотника, тем меньше требуемая мощность излучения;

• чем больше частота продольных колебаний, тем меньше требуемая мощность излучения. Таким образом, решена локальная оптимизационная задача по определению параметров

УЗ-излучателя, минимизирующая мощность излучения посредством выбора максимума часто-

ты возбуждения с учетом ограничения длины полуволны размерами золотника, достаточной для преодоления силы сухого трения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. - М.: Физматгиз,

1960.

2. Ультразвук. Малая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1979.

FUEL REGULATING APPARATUS OF AVIATION ENGINE D-VALVE PAIRS RELIABILITY

PROVISION METHOD DEVELOPMENT

Konyaev E.A., Uryavin S.P.

Necessary and sufficient to loss of touch failure D-valve aggregates of aviation engine ultrasonic radiator parameters are detected.

Сведения об авторах

Коняев Евгений Алексеевич, 1937 г.р., окончил Рижский институт гражданской авиации (1959), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой авиатопливообеспечения и ремонта ЛА МГТУ ГА, автор более 200 научных работ, область научных интересов - диагностика авиационных ГТД, авиационная химмотология топлив и масел.

Урявин Сергей Петрович, 1957 г.р., окончил МИИГА (1981), директор ЦСавиаГСМ ГосНИИ ГА, автор 14 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, оценка эксплуатационных свойств авиационных материалов и изделий.