[1]Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к стендам для испытания агрегатов систем смазки на масловоздушной смеси, и может быть использовано для диспергирования смешиваемых фаз при испытании авиационных двигателей.
[2]В системах смазки авиационных двигателей воздушно-масляная смесь из опор роторов поступает в тракт суфлирования, а в тракт откачки, содержащий насос, фильтр, трубопроводы и другие агрегаты, поступает масловоздушная (жидкогазовая) смесь, в которой в масле взвешены пузырьки воздуха. Для определения характеристик агрегатов систем смазки при работе на масловоздушной смеси необходим другой принцип получения дисперсной смеси и, следовательно, другие схемы стендов. Для получения двухфазной смеси и определения характеристик агрегатов при работе на ней можно использовать эффект воздухововлечения в замкнутом контуре испытаний. Это позволяет решать задачу обеспечения испытаний агрегатов на жидкогазовой смеси с требуемым объемным газосодержанием, в которой пузырьки воздуха взвешены в жидкости.
[3]Известно устройство для смешивания газа и жидкости, включающее жидкостной контур, содержащий цилиндрический корпус с жидкостной и воздушной полостями, магистрали для ввода и вывода жидкости и газа, и плоский перфорированный рассекатель жидкости, установленный в нижней жидкостной полости корпуса (патент RU 2035983, 1995).
[4]В известном техническом решении смешивание жидкой и газовой фаз осуществляется в смесителе, выполненном в виде установленной в корпусе вертикальной трубы. При этом жидкая фаза под давлением подается в распылитель, размещенный в верхней части корпуса, и распыляется, создавая при этом скоростные потоки жидкости, которые позволяют засасывать газовую фазу из воздушной полости в смеситель. На выходе из смесителя газожидкостная смесь диспергируется (измельчается) в результате динамического удара о перфорированный рассекатель (диспергатор). При подаче газа в нижнюю часть корпуса под рассекателем (диспергатором) образуется газовая подушка, струи газа поступают через отверстия рассекателя (диспергатора) и взаимодействуют с газожидкостной смесью.
[5]Существенным недостатком известного технического решения является сложность конструкции устройства, не обеспечивающего возможность использования его для испытаний агрегатов систем смазки авиационных двигателей с использованием масловоздушной смеси.
[6]Известен стенд для испытания систем смазки, содержащий замкнутый рабочий контур, включающий бак, нижний объем которого представляет собой источник масла, источник воздуха и смеситель, сообщенные между собой при помощи трубопроводных магистралей с исполнительными органами («Трение и смазка в машинах и механизмах», 2015 г., №10, стр. 36-37, рис. 2).
[7]В известном техническом решении источник воздуха выполнен в виде компрессора, а смеситель выполнен в виде масляной полости с размещенными в ней форсунками для подачи масла. На вход нагнетающего насоса из нижнего объема бака поступает масло без газовых включений и подается в распылитель, выполненный в виде форсунок, расположенных в масляной полости смесителя. Полость наддувается воздухом через магистраль воздушного контура, выполненного незамкнутым и сообщенного с атмосферой. В подшипниках масло дробится на мелкие капли и, перемешиваясь с поступающим воздухом, образует двухкомпонентную смесь. При этом воздушно-масляная компонента смеси поступает в верхнюю часть масляной полости смесителя и далее в систему суфлирования, а масловоздушная - в нижнюю часть и далее через замкнутый рабочий контур в бак.
[8]Существенным недостатком известного технического решения является неуправляемость процесса распределения компонент смеси по высоте масляной полости смесителя, зависящего от случайных факторов, что затрудняет получение требуемого для испытаний объемного газосодержания смеси.
[9]Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является стенд для испытаний агрегатов систем смазки (суфлеров), включающий замкнутый рабочий контур, содержащий смеситель, с источниками масла и воздуха, и корпус для размещения испытуемого агрегата, сообщенные между собой при помощи трубопроводной магистрали с исполнительными органами (Трянов А.Е. и др. «Проектирование систем суфлирования масляных полостей авиационных двигателей», изд. СГАУ, Самара, 2006 г., стр. 21-22, рис. 15).
[10]В известном техническом решении воздушный контур выполнен разомкнутым, масло из бака через трубопроводную магистраль замкнутого рабочего контура и воздух от источника давления поступают на двухкомпонентные газожидкостные форсунки смесителя, в котором происходит многократное разбиение компонентов на более мелкие капли как за счет направленного движения струй, так и за счет вихревого движения, и далее в корпус на испытуемый агрегат. После этого масло из корпуса откачивается в бак через магистраль замкнутого рабочего контура, а воздух через разомкнутый воздушный контур выпускается в атмосферу.
[11]Основным недостатком известного технического решения является сложность конструкции стенда из-за необходимости иметь параллельные масляный и воздушный контуры, источник давления воздуха (компрессор или воздушную рампу) с коммуникациями для формирования воздушно-масляной смеси с взвешенными каплями масла в воздухе, смеситель с двухкомпонентными газожидкостными форсунками.
[12]Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в упрощении конструкции стенда.
[13]Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в реализации эффекта воздухововлечения при образовании масловоздушной смеси, в которой пузырьки воздуха взвешены в масле.
[14]Эффект воздухововлечения при образовании масловоздушной смеси заключается в следующем. В замкнутом контуре циркуляции «бак-насос-бак» при возврате рабочей среды в свободный объем бака (в его верхнюю часть с воздухом) за счет действия сил гравитации поток распадается на струи и капли. При их соударении с поверхностью жидкостного объема бака в месте контакта реализуется эффект воздухововлечения. При этом на месте падения образуется вогнутость и в процессе вовлечения воздуха в жидкость преобладает явление защемления воздушных пузырьков между струей (каплей) и стенками вогнутости, а при разрушении стенок вовлечение происходит вследствие образования воздушных полостей и защемления воздуха около каждой отдельной капли падающей жидкости.
[15]Заявленный технический результат достигается за счет того, что в стенде для испытания агрегатов систем смазки на масловоздушной смеси, включающем замкнутый рабочий контур, содержащий смеситель с источниками масла и воздуха, и корпус для размещения испытуемого агрегата, сообщенные между собой при помощи трубопроводной магистрали с исполнительными органами, смеситель выполнен в виде бака, нижний объем которого представляет собой источник масла, а верхний объем - источник воздуха, и плоского перфорированного рассекателя, установленного в баке параллельно поверхности масла, а стенд снабжен дополнительным контуром подготовки масловоздушной смеси, выполненным в виде трубопроводной магистрали, вход которой через соответствующий исполнительный орган сообщен с рабочим контуром на входе в корпус, а выход - с верхним объемом бака.
[16]Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:
[17]- выполнение смесителя в виде бака, нижний объем которого представляет собой источник масла, а верхний объем - источник воздуха, и плоского перфорированного рассекателя, установленного в баке параллельно поверхности масла, упрощает конструкцию стенда за счет исключения воздушного контура, источника давления и двухкомпонентных газовоздушных форсунок;
[18]- снабжение стенда дополнительным контуром подготовки масловоздушной смеси, выполненным в виде трубопроводной магистрали, вход которой через соответствующий исполнительный орган сообщен с рабочим контуром на входе в камеру, а выход - с верхним объемом бака, обеспечивает получение масловоздушной смеси с использованием простых технических средств.
[19]Настоящее изобретение поясняется следующим описанием и чертежом, где изображена схема предлагаемого стенда. На чертеже приняты следующие обозначения:
[21]2 - объем нижней части бака 1;
[22]3 - объем верхней части бака 1;
[23]4 - перфорированный рассекатель;
[24]5 - корпус для размещения испытуемого агрегата;
[25]6 - участки трубопроводной магистрали замкнутого рабочего контура;
[26]7 - исполнительный орган трубопроводной магистрали рабочего контура;
[27]8 - трубопроводная магистраль дополнительного контура;
[28]9 - исполнительный орган трубопроводной магистрали дополнительного контура;
[29]10 - насос циркуляции;
[30]11 - электропривод насоса;
[31]12 - датчик объемного расхода масла;
[34]Стенд для испытания агрегатов систем смазки на масловоздушной смеси включает замкнутый рабочий контур, содержащий смеситель, выполненный в виде бака 1 с источником масла, представляющим собой объем 2 нижней части бака 1, и источником воздуха, представляющим собой объем 3 верхней части бака 1, и перфорированного рассекателя 4, установленного в объеме 3 верхней части бака 1 параллельно поверхности объема 2 бака 1, и корпус 5 для размещения испытуемого агрегата (на чертеже не показан). Объем 2 нижней части бака 1 и корпус 5 сообщены между собой при помощи участков 6 трубопроводной магистрали с установленным на ней исполнительным органом 7. Стенд снабжен дополнительным контуром подготовки масловоздушной смеси, который выполнен в виде трубопроводной магистрали 8, вход которой через исполнительный орган 9 сообщен с рабочим контуром на входе в корпус 5, а выход - с объемом 3 верхней части бака 1. Поступление масловоздушной смеси к корпусу 5 осуществляется при помощи установленного трубопроводной магистрали рабочего контура насоса 10 циркуляции. Дополнительный контур через трубопроводную магистраль 8 и исполнительный орган 9 обеспечивает поступление смеси из насоса 10 циркуляции в объем 3 верхней части бака 1 и на перфорированный рассекатель 4. При этом образуется контур формирования масловоздушной смеси в объеме 3 верхней части бака 1. Насос 10 циркуляции вращается электроприводом 11, объемный расход в рабочем и дополнительном контурах циркуляции измеряется датчиком 12. Для наполнения маслом объема 2 нижней части бака 1 от внешнего источника (на чертеже не показан) на входе трубопроводной магистрали рабочего контура установлен кран 13. Управление частотой вращения электропривода 11 и состоянием исполнительных органов 7 и 9 осуществляется от контроллера 14. Исполнительные органы 7 и 9 могут быть выполнены в виде электромагнитных клапанов или в виде регулируемых дросселей, имеющих состояние «открыто» и «закрыто». В трубопроводной магистрали 8 дополнительного контура может устанавливаться воздухоотделитель, из которого жидкая фаза поступает в объем 2 нижней части бака 1, а выделившийся воздух - в объем 3 верхней части бака 1 (эти связи на чертеже не показаны).
[35]Стенд для испытания агрегатов систем смазки на масловоздушной смеси работает следующим образом.
[36]Работа стенда происходит в двух режимах прокачки смеси:
[37]режим 1 - формирование в циркуляционном объеме бака масловоздушной смеси с требуемым значением величины объемного газосодержания;
[38]режим 2 - испытание агрегата на полученной масловоздушной смеси.
[39]При открытом кране 13 и закрытых органах 7 и 9 заполняется маслом объем 2 нижней части бака 1 и осуществляется формирование масловоздушной смеси с требуемым значением величины объемного газосодержания (режим 1).
[40]По команде контроллера 14 исполнительный орган 7 рабочего контура находится в положении «закрыто», а исполнительный орган 9 дополнительного контура переводится в положение «открыто». При этом образуется контур циркуляции: «объем 2 нижней части бака 1 - участки 6 трубопроводной магистрали рабочего контура - насос 10 циркуляции - открытый исполнительный орган 7 - трубопроводная магистраль 8 дополнительного контура - объем 3 верхней части бака 1». Контроллером 14 задается требуемая частота вращения электропривода 11, насос 10 выводится на требуемый режим прокачки масла, а расход масла контролируется датчиком 12.
[41]В контуре циркуляции «бак-насос-бак» при возврате масла за счет действия сил гравитации в объеме 3 верхней части бака 1 падающий поток распадается на струи и капли. При их соударении с поверхностью объема 2 нижней части бака 1 на месте падения образуется вогнутость. При этом реализуется процесс вовлечения воздуха в жидкость, причем преобладает явление защемления воздушных пузырьков между струей (каплей) и стенками вогнутости, а при разрушении стенок - вовлечение происходит вследствие образования воздушных полостей и защемления воздуха около каждой отдельной капли падающей жидкости. В результате реализуется эффект воздухововлечения и образуется масловоздушная смесь. Через определенное время смесь поступает из объема 2 нижней части бака 1 на вход насоса 10 циркуляции, который возвращает ее в объем 3 верхней части бака 1, где смесь снова разбивается на струи и дополнительно насыщается воздухом. Таким образом, в качестве смесителя используется бак 1, при этом для работы смесителя не требуется воздух от отдельного источника высокого давления, т.к. его роль выполняет объем 3 верхней части бака 1. В результате реализации эффекта воздухововлечения на поверхности объема 2 нижней части бака 1 образуется масловоздушная смесь. При этом процесс подготовки масловоздушной смеси сопровождается перемещением воздуха из объема 3 верхней части бака 1 в объем 2 нижней части бака 1, постепенно увеличивая его объем. Смесь заполняет объем 2 бака 1, объем участков 6 трубопроводной магистрали рабочего контура и объем трубопроводной магистрали 8 дополнительного контура.
[42]Для обеспечения проведения испытаний с заданным объемным газосодержанием αсм смеси в характерном для систем смазки диапазоне αсм=0.2…0.5 начальный объем V3.н между рассекателем и поверхностью масла в баке 1 определяется из следующего соотношения:
[43]
[44]где V2 - объем нижней части бака, заполняемый маслом.
[45]Процесс подготовки смеси циклический, с периодом Δtф.см формирования смеси, зависящим от времени пребывания смеси в объеме 2 нижней части бака 1 и трубопроводных магистралей рабочего и дополнительного контуров, и продолжается до получения в циркуляционном объеме бака 1 смеси с требуемым объемным газосодержанием, причем смесь образуется в виде мелкодисперсной устойчивой масловоздушной эмульсии, без коалесценции пузырьков воздуха из-за действия на них сил поверхностного натяжения на границе раздела сред. Характерными показателями процесса формирования смеси являются:
[46]- коэффициент kвв, воздухововлечения, который определяется экспериментально для конкретной конфигурации бака и показывает количество ΔQвв вовлеченного маслом с объемным расходом Qн в контуре циркуляции воздуха;
[47]- время Δtк.ц пребывания маслогазовой смеси в масляном контуре с объемом Vк.ц. циркуляции.
[48]Количество вовлекаемого воздуха на одном цикле равно произведению коэффициента kвв воздухововлечения на величину объемным расхода Qн прокачанной смеси в контуре циркуляции:
[49]
[50]Принимая величину kвв постоянной, за m циклов в масле накопится следующее количество Qвв вовлеченного воздуха:
[51]
[52]Величина αсм объемного газосодержания мелкодисперсной маслогазовой смеси равна отношению объемного расхода Qвв вовлеченного воздуха к суммарному объемному расходу Qж воздуха и жидкости, т.е. к величине Qн прокачиваемой смеси:
[53]
[54]Соотношение (3) показывает, что при постоянной величине прокачки смеси для получения требуемого значения αсм объемного газосодержания необходимо обеспечить m циклов прокачки. Учитывая, что время Δtк.ц одного цикла прокачки равно отношению величин объема Vк.ц контура циркуляции и объемного расхода Qн прокачанной смеси в контуре циркуляции (временем пребывания струй в объеме 3 верхней части бака 1 можно пренебречь), получим следующее соотношение для определения времени Tф.см формирования смеси с требуемым значением αсм:
[55]
[56]Подставляя в соотношение (4) выражение для m из соотношения (3), получим:
[57]
[58]Соотношение (5) позволяет определить время формирования масловоздушной смеси с требуемым значением объемного газосодержания. Оно позволяет также выбрать режим работы насоса и величину объема бака для минимизации времени формирования смеси.
[59]Полученную величину времени формирования смеси следует рассматривать как приближенное значение, т.к. величина коэффициента kвв воздухововлечения может изменяться в процессе циклического формирования смеси из-за уменьшения объема жидкой фазы в смеси, свободной от воздушных пузырьков, и других факторов.
[60]Для более точной оценки величины объемного газосодержания полученной масловоздушной смеси целесообразно использовать устройства прямого измерения объемного газосодержания αсм, например ультразвуковые.
[61]Контроль постоянства величины объемного газосодержания может производиться по анализу постоянства давлений в магистрали прокачки смеси - при увеличении объемного газосодержания давление начинает уменьшаться, а при уменьшении объемного газосодержания - увеличиваться.
[62]После получения в объеме 2 нижней части бака 1 требуемого значения объемного газосодержания производится переход на режим проведения испытания агрегата, устанавливаемого в корпусе 4 стенда (режим 2). Для этого по команде контроллера 14 исполнительный орган 7 переводится в положение «открыто», а орган 9 - в положение «закрыто». В результате образуется замкнутый контур циркуляции: «объем 2 нижней части бака 1 - участки 6 трубопроводной магистрали рабочего контура - насос 10 циркуляции - корпус 5 с испытуемым агрегатом - закрытый исполнительный орган 9 - участки 6 трубопроводной магистрали рабочего контура - объем 2 нижней части бака 1». Контроллером 14 задается требуемая частота вращения электропривода 11, и насос 10 циркуляции выводится на заданный режим подачи смеси к испытуемому агрегату. Закрытием или открытием исполнительного органа 9 обеспечивается требуемое давление на выходе агрегата при проведении испытаний.
[63]Для прекращения испытаний отключается электропривод 11 вращения насоса 10.
[64]Таким образом, выполнение смесителя в виде бака, объемы верхней и нижней частей которого представляют собой источники соответственно масла и воздуха с установленным в верхней части бака параллельно его нижней части плоского перфорированного рассекателя, и снабжение стенда дополнительным контуром, сообщенным с рабочим контуром и верхней частью бака, исключает необходимость применения компрессора для подачи воздуха и двухкомпонентных газовоздушных форсунок в смесителе, что позволяет упростить конструкцию стенда.
