Диссертация (Разработка методики проектирования, расчета и изготовления теплообменного аппарата для малоразмерных ГТД с регенерацией тепла), страница 10

В одной из пар показана вставкадля сварки в матрицу ТА.Сварку собранного конверта и теплообменной матрицы производилиручной микроплазменной сваркойна установке МПУ-4 (полярность сваркипрямая, ток сварки 15-30А). При сварке для снижения эффекта разнотолщинностимежду пластинами конверта (0,2 мм) и фланцем матрицы (2 мм), в каждыйконверт вставлялась технологическая вставка (рисунок 30-31), вырезанная припомощи Роботизированного комплекса лазерной резки и сварки из листа20Х23Н18 толщиной 2 мм.65Рисунок 30– Пакет, сваренный из восьми конвертовРисунок 31 - Сварка собранного пакета в теплообменную матрицуОсобое значение имеет разработка технологии сварки угловых элементовматрицы между собой и с фланцем (рисунок 32). Данная разработка позволяетсваривать как конверты между собой в пакет, так и производить сварку пакета итеплообменной матрицы.66Рисунок 32 – Кондуктор для сварки уголовных элементов теплообменнойматрицы между собой и фланцемСборкакорпусатеплообменногоаппаратапроизводиласьручнойаргонодуговой сваркой при помощи источника питания ТИР-300Д из деталей,вырезанных при помощи роботизированного комплекса лазерной резки и сваркииз листа 20Х23Н18 толщиной 2 мм.Установка матрицы в корпус теплообменного аппарата с окончательнойсборкой последнего на болтах из сплава ЖС6 (рисунок 33).Рисунок 33 – Теплообменный аппарат в сборе67На следующем этапе планируется освоить сварку лазером, поскольку прииспользовании данного вида сварки можно обеспечить наилучшую повторяемостькачества сварочного шва.3.5 Изготовление теплообменного аппарата аддитивными методамипроизводстваОсновным преимуществом аддитивных технологий является возможностьизготовления монолитной секции теплообменника, что позволяет обойтись безсварных швов.

Данная технология также позволяет снизить вес конструкции засчет отсутствия припусков на сварку по краям пластин. Один из методоваддитивного производства для создания функциональных прототипов и мелкихпартий готовых изделий – выборочное лазерное спекание (SLS) [16]. В отличие отштамповки данный метод позволяет изготавливать двухходовые теплообменныеаппараты, которые обеспечивают большую эффективность.Технология основана на последовательном спекании слоев порошковогоматериала с помощью лазеров высокой мощности. Зачастую данную технологиюошибочно принимают за схожий процесс, называемый выборочной лазернойплавкой (SLM). Разница заключается в том, что SLS обеспечивает лишьчастичную плавку, необходимую для спекания материала, в то время каквыборочная лазерная плавка подразумевает полную плавку, необходимую дляпостроения монолитных моделей [16].Технология (SLS) подразумевает использование одного или несколькихлазеров (как правило, углекислотных) для спекания частиц порошкообразногоматериала до образования трехмерного физического объекта.

В качестверасходных материалов используются пластики, металлы, керамика или стекло.Спекание производится за счет вычерчивания контуров, заложенных в цифровоймодели (3D-модели) с помощью одного или нескольких лазеров. По завершениисканирования рабочая платформа опускается, и наносится новый слой материала.Процесс повторяется до образования полной модели [75].68Так как плотность изделия зависит не от продолжительности облучения, аот максимальной энергии лазера, в основном используются пульсирующиеизлучатели.

Перед началом печати расходный материал подогревается дотемпературы чуть ниже точки плавления, чтобы облегчить процесс спекания.Вотличиеоттакихметодоваддитивногопроизводства,какСтереолитография (SLA) или моделирования методом послойного наплавления(FDM), SLS не требует построения опорных структур.

Навесные части моделиподдерживаются неизрасходованным материалом. Такой подход позволяетдобиться практически неограниченной геометрической сложности изготовляемыхмоделей.Исходя из вышеизложенного отметим основные плюсы:- Отсутствие необходимости изготовления конструкторской документации,так как для изготовления необходима только 3D-модель.- Отсутствие необходимости в материалах поддержки. Деталь погружена впорошок, который и выполняет функцию поддержки нависающих деталей;- Большой выбор материалов, включая металлы.- Высокая скорость печати (до 35 мм/час) [75].К минусам технологии изготовления относится:- Шероховатая структура моделей, требующая дальнейшей обработки;- Большое время подготовки принтера к работе (нагрев и стабилизациятемпературы).При изготовлении образцов может быть использован широкий спектрматериалов:использованжаропрочных,порошоктеплопередающейстенкиникелевыхсплавов.жаростойкой0,2мм.сталиОбразецДляданного12Х18Н10Т.изготовленпообразцаТолщинаполностьюбезбумажной технологии с передачей трёхмерной модели в цифровой форменепосредственно на станок-прототипиратор (3D-принтер).

Образец испытанийпредставлен на рисунок 34.69Рисунок 34 – Объект экспериментального исследования – теплообменныйаппаратВолнообразные гофры, составляющие поверхность объекта исследованияпредставляютсобоймодифицированнуюповерхностьФренкеля.Уголскрещивания гофр составляет 75°. Изготовленный теплообменный аппаратимеет высокую шероховатость более Rz 30.Для апробирования технологии изготовления по методу выборочноголазерного спекания был проведен эксперимент. В ходе эксперимента определенытеплогидравлические характеристики теплообменной поверхности.3.5.1 Планирование экспериментаПланирование эксперимента является одним из важнейших частейтестирования испытуемого объекта, проводится поэтапно и сопряжено спроцедурой выбора числа и условий проведения испытаний, необходимых идостаточных для решения поставленной задачи.При этом необходимо придерживаться следующих ограничений:1.Общее число опытов должно быть минимальным, но достаточным;2.

Необходимо одновременно учитывать все переменные, определяющие(влияющие) процесс, руководствуясь определенными правилами–алгоритмами;3. При описании исследований необходимо использовать математическийаппарат, формализующий действия экспериментатора;704. В процессе проведения и планирования эксперимента необходимо строгопридерживаться четкой стратегии, позволяющей принимать обоснованныерешения в процессе эксперимента [3].Учитывая перечисленные ограничения, составлен план эксперимента.1.

Объект исследования. В рамках данной работы должен быть проведенэксперимент по определению входных и выходных параметров объектаэксперимента — теплообменного аппарата перекрестноточной двухходовойсхемы, созданного по методу выборочного лазерного спекания. В соответствии споставленной задачей необходимо разработать рекомендации по проектированиюэкспериментального стенда и проведению эксперимента.2.Цельисследования.экспериментальноеОсновнойподтверждениецельютрехмернойэкспериментарасчетнойявляетсяметодики,т.е.верификация расчетных и экспериментальных данных.

В результате экспериментадолжны быть получены входные и выходные параметры (температура, давление)ТА, на основе которых будет проведен расчет степени регенерации и потерьдавления.3.Влияниефакторов.Передпроведениемэкспериментальногоисследования следует определить ряд факторов, оказывающих влияние наэксперимент.

Под факторами влияния подразумевается измеряемая величина,описывающая влияние на объект исследования [3]. Согласно общим требованиямпо планированию эксперимента количество факторов не должно превышать 15пунктов. Факторами, которые оказывают влияние на эксперимент, приняты:- величина расхода воздуха в ТА;- температура на входе в горячий контур.4.

Область проведения эксперимента. На данном этапе необходимо оценитьграницы областей определения факторов. При выборе границ учитываютсяограничения нескольких типов:a) Принципиальные ограничения – для значений факторов, которые ни прикаких условиях не могут быть нарушены. Применительно к данной работепоставлены следующие ограничения: Температура воздуха должна быть в71диапазоне от 0 до 270 °С; давления в экспериментальной системе не должныпревышать 500 кПа.б) Технико-экономические ограничения. Время установления режимадолжна быть не менее 10 мин. Затраты на изготовление экспериментальногооборудования не должны превышать суммы выделенной на проведение работ.в) Конкретные условия проведения процесса. Результатом проведенияэксперимента должна быть таблица данных по входным и выходным параметрампо обоим контурам и рассчитанным по экспериментальным данным величины.Измерениерасходапроисходитпутемоценкиперепададавлениянаизмерительной шайбе.

Регулирование – ручкой отсечного крана.На этом этапе также определяется локальная область для планированияэксперимента.a) Выбор основного уровня. Наилучшим условиям, определенным изанализа априорной информации, соответствует одна или несколько комбинацийуровней факторов [67]. Исходя из выбранных ограничений, комбинации уровнейфакторов следует избрать следующими: в ходе эксперимента рассмотретьнесколько комбинаций функции Tвых(Gв) и Рабс(Gв), при постоянных входныхпараметрах.б) Выбрав основной уровень, необходимо провести выбор интерваловварьирования. Необходимо выбрать два уровня, желательно симметричныхотносительно основного, которые называют верхним и нижним уровнями [67].Обычнозаверхнийуровеньпринимаетсятот,которыйсоответствуетнаибольшему значению фактора, хотя данное требование и не являетсяобязательным.

В соответствии с этим за верхний принят уровень максимальногорасхода (отсечной кран полностью открыт). Нижний уровень – минимальныйрасход, при котором обеспечивается безопасная работа системы, в том числепожаробезопасность, и целесообразно снимать параметры, (в экспериментепринято 5 гр/с). Промежуточные комбинации факторов регулируются вручную.На основании приведенного выше планирования можно сформироватьрекомендации по разработке стенда для тестирования ТА.72Проектируемый стенд должен соответствовать следующим экономическими технико-технологическим параметрам:- Соответствие стенда нормам пожаро- и электробезопасности;-Минимальныезатратынаразработкустендаииспользуемогоизмерительного оборудования при приемлемых характеристиках по точностисобираемых данных;- Диапазон измерений давлений должен быть в пределах 0…600 кПа;- Диапазон измерений температур должен быть в пределах 0…270°С;- Универсальность использования стенда.Особое внимание следует уделить факторам, оказывающими влияние наданный эксперимент ими являются:- Давление в системе подачи промышленного воздуха.

Влияет на расходвоздуха;-Мощностьнагревательныхэлементов.Оказываетвлияниенамаксимальную температуру нагреваемого воздуха;- Герметичность соединений. Влияет на потери давления;- Точность датчиков сбора информации.3.5.2 Описание экспериментальной установкиИспытания экспериментального образца проводились на испытательномстенде, на установке МТО №1. Одним их основных узлов экспериментальнойустановки(ЭУ)экспериментальногослужитобъектакорпус,—предназначенныйтеплообменника,длядатчиковкреплениятемпературы,вентилятора и нагревателя горячего контура и штуцеров трубок, и трубопроводовподвода-отвода воздуха холодного контура (рисунке 35). Рабочим телом дляиспытаний служит воздух.73Рисунок 35 – Теплообменный аппарат в корпусеЭкспериментальныеисследованиятепловыхигидравлическиххарактеристик теплопередающей матрицы с волнообразной поверхностью типа«набивка Френкеля» производились на установке, схематично изображенной нарисунке 36.