Проблемы машиностроения

Оптимальна теплова потужність абсорбційного теплового насосу з паровим обігрівом, що інтегрований в парову турбіну ПТ-60/70-130/13

О. Л. Шубенко — 2025-03-12

Сформульована і вирішена задача з визначення оптимальної теплової потужності абсорбційного бромісто-літієвого теплового насоса (АБТН) з паровим обігрівом, інтегрованого в теплову схему парової турбіни ПТ-60/70-130/13 при роботі на режимі з незначним відкриттям поворотної регулюючої діафрагми. Турбоустановка відпускала пару користувачам і забезпечувала теплопостачання за графіком 150 / 70 ºС. Характеристики АБТН моделювалися з використанням апроксимаційних залежностей, заснованих на характеристиках виробників термотрансформаторів. АБТН обігрівався парою з виробничого відбору турбіни після парової гвинтової машини, встановленої для енергозбереження. Загальна оптимізаційна задача з функцією цілі сумарні зміни місячних витрат палива після інтеграції АБТН, виходячи з середньомісячної температури зовнішнього повітря в опалювальному сезоні в Україні, розбивалася на 6 допоміжних оптимізаційних задач. Параметрами управління цих задач виступали: теплова потужність АБТН, тиск пари у конденсаторі турбіни і на вході у тепловий насос, витрата пари в голову турбіни. Дана задача вирішувалася методом покоординатного спуску. Досліджувалися режими з витратами пари у виробничий відбір турбіни споживачам: 15, 30 і 45 т/год. (з параметрами: 1,296 МПа, 280 ºС) і сітьової води: 1600, 1650 і 1700 м³/год. Їх особливість – забезпечення «корисної» генерації в об’ємах, що відповідають роботі ПТ-60/70-130/13 без АБТН із закритою поворотною діафрагмою. Для всіх розглянутих варіантів навантаження турбіни оптимальна потужність інтегрованого АБТН визначена в 20 МВт. За опалювальний період ПТ-60/70-130/13 з АБТН 20 МВт при роботі на режимі, близькому до теплового навантаження при менших за досліджені витрати виробничої пари та сітьової води, дозволяє зекономити: палива ~3,5%, пом'якшеної води 8,5%, технічної води 79,9%, а також дає помітний екологічний ефект за рахунок зменшення шкідливих викидів до атмосфери. Попередній строк окупності АБТН близький до 3 років. Відзначається, що варіант роботи інтегрованої турбіни з частково відкритою регулюючою діафрагмою за наявних цін на паливо та електроенергію програє по економічних показниках варіанту із закритою діафрагмою.

Деформування різьбових з’єднань метал – композит під дією газодинамічних навантажень

К. В. Аврамов — 2025-03-12

Поєднання металу й композиту в різьбових з’єднаннях підвищує надійність конструкції, що працює в умовах впливу інтенсивного внутрішнього тиску. Аналіз міцності різьбових з’єднань метал – композит на основі застосування сучасних методів скінченно-елементного моделювання на стадії розроблення проєктної документації дає змогу створювати більш ефективні конструкції, які краще відповідають експлуатаційним вимогам. У цій публікації представлено результати аналізу міцності різьбових з’єднань циліндричних оболонок із композитного матеріалу й металу, що перебувають під дією газодинамічного внутрішнього тиску. Запропонована методика чисельного дослідження задачі в програмному комплексі Ansys / Explicit Dynamics. Використовується деталізоване моделювання різьбових з’єднань. Розроблена модель враховує: залежність властивостей матеріалів від температури довкілля; нелінійний зв’язок між компонентами тензорів напружень і деформацій у металевих елементах, ортотропні властивості композитних матеріалів; особливості контактної взаємодії в зонах різьбових з’єднань елементів збірної оболонки з різного матеріалу. Досліджено напружений стан циліндричної конструкції з центральною оболонкою з вуглепластику або зі склопластику та зі сталевими оболонками по краях, навантаженої газодинамічним внутрішнім тиском із максимальним значенням 20 МПа за максимальної температури навколишнього середовища 100 °С. Отримано, що пластичні деформації зосереджені на краях різьбових з’єднань сталевих оболонок. При цьому величина пластичних деформацій з’єднання з внутрішньою металевою оболонкою на порядок вища, ніж для з’єднання із зовнішньою металевою оболонкою. Величина пластичних деформацій у з’єднанні з внутрішньою металевою оболонкою при використанні склопластику вдвічі менша, ніж у випадку використання вуглепластику. Локалізація критичних напружень спостерігалася тільки в металевих оболонках біля різьбових з’єднань. При цьому в зоні різьби вони в межах пружності, а напружений стан склопластикової оболонки не є критичним. Локального руйнування матеріалу в конструкції не спостерігалося.

Перша основна задача теорії пружності для шару композиту з двома товстостінними трубами

О. Ю. Деньщиков — 2025-03-12

Розв’язана просторова задача теорії пружності для волокнистого композиту у вигляді шару з двома циліндричними товстостінними трубами. На плоских поверхнях шару й на внутрішній поверхні труб задані напруження. Задача представлена у вигляді розв’язків рівнянь Ламе в різних системах координат, де шар розглядається в декартовій системі, труби – у локальних циліндричних. Для поєднання базисних розв’язків у різних системах координат застосовується узагальнений метод Фур’є. Задовольняючи граничним умовам і умовам спряження між шаром і трубами, формується нескінчена система інтегро-алгебраїчних рівнянь, які зводяться до лінійних алгебраїчних рівнянь другого роду і використовується метод редукції. Після знаходження невідомих можна отримати напружено-деформований стан у будь-якій точці пружних поєднаних тіл. Задля цього до базисних розв’язків задачі також застосовується узагальнений метод Фур’є. По результатах чисельних досліджень можемо стверджувати, що задачу можна розв’язати із заданою точністю, яка залежить від порядку системи рівнянь. Числовий аналіз напруженого стану розглянуто з варіацією відстані між трубами. Отримані графіки розподілення внутрішніх напружень у трубах і шарі. Результати показують зворотну залежність між величиною напружень і відстанню між трубами. Крім абсолютної величини напружень, можливі зміни в характері епюр і знаку. Запропонований метод розв’язання може бути використаний під час проєктування деталей і механізмів, розрахункова модель яких представляє собою шар із циліндричними трубами, в машино- й авіабудуванні. Отриманий напружено-деформований стан дає змогу попередньої оцінки геометричні параметри конструкції. Подальший розгляд теми дослідження необхідний для моделі, де труби комбінуються з іншими типами неоднорідностей.

Поведінка функціонально-градієнтної пористої пластини при згині із використанням згладженого елемента

L. H. Ton-That — 2025-03-12

У цій статті описується аналіз згину функціонально-градієнтних пористих (ФГП) пластин із використанням чотирикутного елементу з чотирма вузлами, пов’язаного з C⁰-типом теорії деформації зсуву третього порядку Редді та комірчастими згладженими деформаціями. Теорія Редді використовує переваги та бажані властивості теорії деформації зсуву третього порядку. Більше того, пластини ФГП з покращеними властивостями матеріалу змінюються з нижньої поверхні на верхню відповідно. Чисельні результати і порівняння з іншими стандартними розчинами вказують на точність й ефективність поточного елементу при аналізі пластин ФГП.

Удосконалення конструкції отворів повітряного охолодження камери згоряння авіаційного двигуна для зменшення викидів і контролю рівномірності температури

Masoud Hajivand — 2025-03-12

Поточне дослідження є комплексним числовим аналізом, що стосується рівномірності температури та прогнозування викидів NO_x і CO в жаровій трубі кільцевої камери згоряння авіаційного двигуна шляхом геометричних модифікацій, зокрема зміни конструкції первинного охолоджувального повітря, включаючи отвори для ефузійного охолодження. Було досліджено п’ять геометричних конфігурацій із використанням моделювання CFD в ANSYS CFX. Прийнята модель горіння поєднувала хімію з кінцевою швидкістю реакції та модель вихрової дисипації (FRC/EDM). Крім того, моделювалося згоряння рідкого гасу (C12H23) з повітрям після випаровування паливних крапель. Моделювання розпилення використовувало розподіл розмірів крапель Розіна-Раммлера для точного відображення процесу розпилення палива. Було розглянуто як термічні, так і миттєві механізми утворення NO_x, тоді як для турбулентності використовувалася модель k-ε. Кільцева камера згоряння реалістичних розмірів із подвійним радіальним завихрювачем повітря була змодельована в 3D CAD для проведення цього дослідження з хорошими, надійними результатами. Контурні графіки розподілу температури та концентрації NO_x аналізувалися вздовж осі від центру інжектора. Діаграми рівномірності температури та концентрацій NO_x і CO на виході з камери згоряння слугували показниками продуктивності. Моделювання було реалізовано за допомогою двоетапної схеми хімічної кінетики для згоряння гасу та моделі випромінювання P1, яка забезпечила точне прогнозування теплового випромінювання. Однією з основних цілей цього дослідження було порівняння результатів CFD на виході з камери згоряння з газодинамічними та термодинамічними розрахунками, виконаними за допомогою програмного забезпечення AxStream на кафедрі конструкції авіаційних двигунів Харківського авіаційного інституту. Важливо зазначити, що середнє відхилення результатів газодинаміки, отриманих із результатів моделювання AxStream і CFD, було незначним, що підтвердило правильність підходу CFD. Результати свідчать про те, що перепроєктування жарової труби камери згоряння, зокрема конструкцій, пов’язаних із первинними та ефузійними охолоджувальними отворами, значно скоротило викиди NO_x і CO. Крім того, ці конструктивні зміни допомогли знизити або покращити рівномірність температури на виході з камери згоряння, що підвищило ефективність і продуктивність згоряння.

Особливості розрахункового визначення теплового стану щітково-контактного апарату турбогенератора

А. Є. Коврига — 2025-03-12

У даній статті розглянуті питання особливостей розрахункового визначення теплового стану щітково-контактного апарату турбогенератора. Автором наведений алгоритм аналітичного розрахунку апарату, визначені очікувані температури елементів за умови встановлення додаткових фільтрів у вентиляційному тракті. За допомогою методу скінченних елементів був виконаний тривимірний розрахунок теплового стану елементів щітково-контактного апарату. Отримані результати підтверджують можливість удосконалення конструкції щітково-контактного апарату за рахунок встановлення фільтруючих елементів з метою підвищення надійності роботи даного вузла.

Адаптивне уточнення контуру сегментованого об’єкта на основі яскравості сусідніх пікселів із використанням ансамблевого методу

В. Д. Конюхов — 2025-03-12

Підвищення точності алгоритмів комп'ютерного зору відіграє значну роль у сегментації медичних зображень, адже саме визначення меж об'єктів є складним завданням під час використання медичних зображень, а особливо рентгенівських знімків. Застосування рентгенівських знімків у сегментації є складним процесом, оскільки саме ці зображення можуть мати достатню кількість шумів й артефактів. Класичні методи сегментації стикаються з суттєвими викликами при сегментації рентгенівських зображень, де є об'єкти з нечіткими межами. Для вирішення таких завдань пропонується використовувати сегментацію за допомогою машинного навчання, а для підвищення точності визначення меж об'єктів необхідно застосовувати адаптивні підходи. У цій статті пропонується новий метод підвищення точності сегментації рентгенівських зображень, який аналізує сусідні пікселі кожного елемента контуру та, якщо потрібно, адаптивно змінює його форму, після чого комбінує всі передбачення за допомогою ансамблевого методу, що дає змогу покращити попередню версію контуру. Як демонструють дослідження, завдяки даному методу покращується якість сегментації зображень на трьох наборах даних із різною складністю структур. Для всіх трьох наборів отримано покращення точності меж об'єктів.