автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование процессов виброакустического взаимодействия в элементах гидромеханических систем двигателей летательных аппаратов

Введение ■ - 1. Анализ виброакустических нагрузок, механизмов их возникновения и методов их 8 снижения в гидромеханических системах

1.1. Виброакустические нагрузки в гидромеханических системах и механизмы их 8 возникновения '

1.2. Анализ методов снижения виброакустических нагрузок в 13 гидромеханических системах

1.3. Стратегия автоматизированного проектирования оптимального 18 корректирующего устройства для гидромеханических систем

1.4. Основные этапы автоматизированного проектирования оптимального 22 корректирующего устройства

2. Математические модели взаимодействия пульсирующего потока рабочей среды и 24 вибрирующих трубопроводов

2.1. Виды вибраций трубопроводов под действием цеременных нагрузок

2.2. Математические модели трубопроводов как цилиндрических оболочек, 30 находящихся под действием волн давления рабочей жидкости

2.2.1. Низкочастотные колебания цилиндрической упругой оболочки 30 трубопровода

2.2.2. Параметрические колебания цилиндрической оболочки трубопровода 32 под действием волн давления в рабочей жидкости.

2.3. Математические модели поперечных колебаний трубопроводов под 36 действием пульсирующего потока рабочей жидкости

2.4. Оценка интенсивности различных видов вибраций трубопроводов при их 58 силовом возбуждении пульсациями давления рабочей жидкости

Выводы

3. Автоматизация исследований процессов виброакустического взаимодействия 62 элементов гидромеханических систем.

3.1. Критерии оценки виброакустической активности участка 63 гидромеханической системы

3.2. Алгоритм поиска оптимальной схемы корректирующего устройства

3.3. Подпрограмма определения собственных частот и форм поперечных 74 колебаний прямолинейного трубопровода

3.4. Определение собственных частот и форм колебаний неоднородного участка 86 трубопроводной системы

3.5. Программа ^расчета виброакустических характеристик системы 92 "корректирующее устройство - трубопровод"

Выводы

4. Повышение функциональной надежности топливной системы ТРДДФ с 102 комбинированным топливным насосом

4.1. Исследование и анализ динамических характеристик системы 104 топливопитания ТРДДФ с комбинированным насосным агрегатом

4.2. Исследование процессов течения жидкости в шнековом преднасосе агрегата 132 НД и их влияния на работоспособность агрегата

4.3. Математическая модель шнекового преднасоса на режимах с обратными 150 токами

4.4. Мероприятия по снижению динамических нагрузок в топливной системе 158 ТРДДФ с комбинированным топливным насосом

Выводы

5. Экспериментальные исследования динамических характеристик элементов 168 гидромеханических систем

5.1. Испытательный комплекс 169 5.1.1. Методы оценки статистических характеристик широкополосных 177 спектров пульсаций давления и вибраций.

5.2. Исследование динамических характеристик элементов гидравлических 182 систем

5.3. Исследование динамических характеристик присоединенной цепи (нагрузки) 198 с использованием мерного трубопровода

5.4. Экспериментальные исследования виброакустических характеристик 202 элементов гидромеханических систем

5.5. Исследование влияния установки корректирующего устройства на 209 виброакустические параметры системы

Выводы

Развитие авиационной и ракетно-космической техники, сопровождающееся по-вышенией скорости и дальности полета, грузоподъемности, манёвренности и энерговооруженности, неизбежно ставит задачу повышения надежности двигателей летательных аппаратов и их систем. Основное внимание научно-исследовательских разработок направлено на повышение функциональной и параметрической надежности гидравлических и топливных систем энергетических установок, на долю которых приходится 50-60 % от суммарного числа отказов, происходящих в процессе работы изделий. В настоящее время эти системы характеризуются сложной структурой, содержат сотни гидромеханических агрегатов, суммарная протяженность трубопроводных линий на изделии составляет тысячи метров. К гидравлическим и топливным системам предъявляются жесткие требования по быстродействию, точности и стабильности работы в условиях высоких рабочих давлений (до 35 МПа), которые имеют тенденцию к дальнейшему росту /14, 50, 58/.

Одним из факторов снижения работоспособности гидромеханических систем является наличие в них динамических нагрузок - пульсаций давления рабочей среды, вибраций арматуры и агрегатов и акустического шума (последний фактор необходимо учитывать при проектировании гидромеханических систем наземного оборудования, транспорта). Динамические нагрузки являются причиной разгерметизации соединений, усталостных разрушений элементов, повышенного износа клапанов, золотников и т.д. /14, 50, 58,84, 85, 86/.

Современное гидромеханическое оборудование является источником всех вышеперечисленных видов динамических нагрузок. Одним из наиболее интенсивных источников виброакустических нагрузок является гидравлический насос. Он генерирует пульсации давления рабочей жидкости, которые могут распространятся как по линий нагнетания ("по потоку"), так и по линии всасывания ("против потока"). Эти волны давления являются особенно опасными в условиях акустического резонанса (т.е. при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой участка гидравлической подсистемы), характеризующегося резким увеличением амплитуды пульсаций давления. Распространяющиеся по трубопроводам пульсации давления обуславливают механизм силового возбуждения вибраций трубопроводной арматуры. Кроме того, сам насос является источником кинематического возбуждения вибраций присоединенных к нему трубопроводов /38, 50, 56, 84, 86/. В гидромеханических системах существует множество других источников и механизмов возбуждения виброакустических нагрузок, которые будут рассмотрены ниже.

Проблема снижения виброакустических нагрузок и повышения работоспособности гидромеханических систем решается методами акустической коррекции /5,13,15,27, 29, 31, 34, 38, 44, 72, 86/. Сюда следует отнести различные конструктивные и технологические мероприятия, направленные на совершенствование конструкции источника динамических нагрузок с целью снижения последних. Другой метод акустической коррекции - частотная отстройка систем и их элементов. Третий путь, получивший в последнее время широкое распространение - использование специальных корректирующих устройств.

Все эти методы находят широкое использование в практике. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Перспективным является применение корректирующих устройств, среди которых в особую группу выделяются гасители колебаний давления рабочих сред. В области их применения и проектирования накоплен обширный опыт. Однако до сих пор не рассматривался вопрос влияния установки гасителей колебаний на изменение виброакустических нагрузок в гидромеханических системах. Это связано с недостаточностью исследований в области взаимодействия пульсационных процессов в гидравлических линиях и вибрационных нагрузок, генерируемых ими. Бесспорная важность решения этого вопроса становится в последнее время все более и более очевидной.

В связи с этим, диссертация посвящена разработке методик расчета виброакустических характеристик элементов гидромеханических систем и методов автоматизированного проектирования корректирующих устройств, предназначенных для снижения виброакустических нагрузок в гидромеханических системах, на базе активного использования современных методов оптимизации.

Основные научные положения, выносимые на защиту: математическая модель изгибных колебаний участка трубопроводной линии с гидромеханическим агрегатом под действием пульсирующего потока рабочей жидкости, протекающей в линии, и внешних нагрузок (в т.ч. кинематического возбуждения); алгоритм и пакет прикладных программ для расчета виброакустических характеристик участка трубопроводной линии при силовом возбуждении его пульсациями протекающей в нем рабочей жидкости; алгоритм автоматизированного проектирования оптимального корректирующего устройства, предназначенного для снижения виброакустических нагрузок в гидромеханических системах, и структура программно-технического комплекса автоматизированного проектирования;

- математическая модель шнекового преднасоса двойного топливного насоса, описывающая возникновение переменного осевого усилия на упорном графитовом под-щипнике центробежной ступени;

- мероприятия, направленные на снижение динамической нагруженности графитового подшипника двойного топливного насоса; методика расчетно-экспериментальных исследований динамических характеристик присоединенной гидравлической цепи (нагрузки);

- результаты экспериментальных исследований эффективности действия корректирующих устройств по снижению виброакустических нагрузок.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Автоматические системы энергетических установок" Самарского государственного аэрокосмического университета в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ.

Исследования проводились в Институте акустики машин при Самарском государственном аэрокосмическом университете, ОАО "Самарское конструкторское бюро машиностроения".

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ и классификация виброакустических нагрузок, действующих на элементы трубопроводных систем; исследованы механизмы возникновения колебаний в гидромеханических агрегатах и системах.

2. Разработана математическая модель колебаний прямолинейного участка трубопровода с гидромеханическим агрегатом общего вида при его одновременном кинематическом и силовом возбуждении пульсациями давления рабочей жидкости.

3. Разработана экспериментально-аналитическая модель шнекового преднасоса на режимах с обратными токами, учитывающая переменный объем парогазовой фазы в его полостях.

4. Предложен критерий оценки изменения вибрационных характеристик элементов гидромеханических систем от применения корректирующих устройств. Разработана методика расчета эффективности применения корректирующих устройств для снижения виброакустических нагрузок в гидромеханических системах. Сформирована стратегия расчета и структура программно-технического комплекса автоматизированного проектирования корректирующих устройств.

5. Проведена модернизация стендового оборудования и измерительного комплекса для исследования динамических характеристик элементов гидромеханических систем в диапазоне частот до 800 Гц по первой гармонике пульсатора с использованием информации по высшим гармоникам при числе регистрируемых каналов до 32.

6. Проведены расчетно-экспериментальные исследования динамических характеристик присоединенной гидравлической цепи (нагрузки) с использованием двух датчиков давления и элемента с известными характеристиками. Получены результаты экспериментальных исследований частотных характеристик трубопроводов, динамических характеристик (комплекса собственных характеристик) регулируемого гасителя колебаний. Показана возможность использования такого гасителя для определения импедансов источника гидравлических колебаний и присоединенной цепи (нагрузки).

7. Обоснована необходимость оценки и отработана методика экспериментального исследования изменения виброакустической активности элементов гидромеханических систем при применении гасителей колебаний давления. Получены экспериментальные данные по оценке применения корректирующих устройств для снижения виброакустических нагрузок в гидромеханических системах. Установлена возможность

1. А.С. 1024651 СССР, МКИ F16L55/04. Гаситель колебаний давления / В.П. Шо-рин, А.Г. Гимадиев, Е.В. Шахматов, Г.В. Шестаков, Г.И. Берестнев (СССР). -№3373908/29-08; заявлено 05.01.82; опубл. 23.06.83., бюл. №23.

2. Акимов М.Ю. Моделирование динамики и исследование устойчивости вязко-упругого трубопровода и его элементов: Дисс.канд. физ.-мат. наук. Ульяновск, 1999.- 151 с.

3. Ананьев И.В., Тимофеев П.Г. Колебания упругих систем в авиационных конструкциях и их демпфирование. М.: Машиностроение, 1965. - 526 с.

4. Артемов Е.А., Богданов А.А. Коэффициент расхода клапана // Вестник машиностроения, 1970, №11. С.49-50.

5. Артюхов А.В., Шорин В.П. Методика определения динамических характеристик гидравлических насосов // Динамические процессы в силовых и энергетических установках летательных аппаратов: Сб. научн. тр. Куйбышев, авиац. инта. Куйбышев, 1988. - С. 70-77.

6. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.-.Наука, 1965. - 560 с.

7. Балабанян Н. Синтез электрических цепей. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961.-416 с.

8. Барбашов Е.Д., Гликман Б.Ф., Казаков А.А., Морозов С.А. Экспериментальное исследование акустических характеристик столба жидкости в непроточных трубах // Акустич. журнал. 1996. Т.42. №4. С.478-488.

9. Башта Т.М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для ВУЗов. М.: Машиностроение, 1974. - 606 с.

10. Башта Т.М. Снижение шума в гидросистемах // Вестник машиностроения. -1971, №6.-С. 33-38.

11. Бобровницкий Ю.И. Задача восстановления поля в структурной интенсиметрии: постановка, свойства, численные аспекты // Акустич. журнал. 1994. Т.40. №3. С.367-376.

12. Брудков Л.И. Исследование демпферов для снижения пульсаций рабочей среды в трубопроводных системах двигателей летательных аппаратов: Диссертация на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Куйбышев, 1978. - 168 с. ДСП.14