Разработка экспериментальной установки для исследования особенностей влияния электростатических полей на тепловые и гидравлические процессы в жидких углеводородных горючих и моторных авиационных маслах двигателей летательных аппаратов

Раскрыты проблемы тепловых процессов в топливных и масляных охлаждающих и подающих каналах двигателей летательных аппаратов наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования. Одной из главных и опасных проблем является процесс осадкообразования, из-за которого происходит частичное и полное закоксовывание топливных и масляных каналов, фильтров и форсунок, что приводит к различным нештатным ситуациям и авариям. Одним из современных и перспективных способов борьбы с осадкообразованием является применение электростатических полей. Рассмотрены проблемы, связанные с возможностями электростатических полей по предотвращению осадкообразования на металлических сетчатых полотнах и по их преодолению при малом размере ячеек. Обоснована необходимость разработки и создания экспериментальной установки для всестороннего исследования возможностей электростатических полей в жидких углеводородных горючих и моторных авиационных маслах при их естественной и вынужденной конвекции в различных термодинамических условиях по давлению и температуре. Разработаны конструктивные схемы установки и рабочих участков, указаны рабочие параметры и этапы экспериментальных исследований, подведены предварительные итоги, показаны дальнейшие перспективные планы применения данной установки.
EDN: NSOENL, https://elibrary/nsoenl

Литература

[1] Яновский Л.С., Дубовкин Н.Ф., ред. Топлива для воздушно-реактивных двигателей. Москва, Изд-во МАТИ, 2001. 441 с.

[2] Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Массур Ю.П. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. Москва, Химия, 1985. 240 с.

[3] Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М. и др. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань, Абак, 1999. 284 с.

[4] Алемасов В.Е., ред. Инженерные основы авиационной химмотологии. Казань, Изд-во Казанского ун-та, 2005. 714 с.

[5] Яновский Л.С. Образование коксоотложений в тракте охлаждения ракетных двигателей, работающих на углеводородных горючих. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2006, № 3, с. 3–15. EDN: HVHBUN

[6] Яновский Л.С., Харин А.А., Бабкин В.И. Основы химмотологии. Москва-Берлин, Директ-Медиа, 2016. 482 с.

[7] Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Ленинград, Химия, 1972. 231 с.

[8] Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. Кн. 1. Казань. КГУ им. В.И. Ульянова-Ленина, 2005. 272 с.

[9] Алтунин В.А. Исследование влияния электростатических и магнитных полей на особенности теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям. Кн. 2. Казань. КГУ им. В.И. Ульянова-Ленина, 2006. 230 с.

[10] Altunin V.A., Altunin K.V., Aliev I.N. et al. Analysis of investigations of electric fields in different media and conditions. J. Eng. Phys. Thermophy., 2012, vol. 85, no. 4, pp. 959–976, doi: https://doi.org/10.1007/s10891-012-0736-4

[11] Алтунин К.В. Повышение ресурса реактивных двигателей на жидких углеводородных горючих. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2015, № 1–2, с. 37–42.

[12] Алтунин В.А., Львов М.В., Гинятуллин И.А. и др. Разработка топливно-масляных теплообменных аппаратов для двигателей воздушных и аэрокосмических летательных аппаратов. Научное значение трудов К.Э. Циолковского: история и современность. Ч. 1. Калуга, Эйдос, 2020, с. 216–217.

[13] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Алиев И.Н. и др. Некоторые пути повышения эффективности жидкостных реактивных двигателей летательных аппаратов на углеводородных и азотосодержащих горючих и охладителях. Казань, Школа, 2020. 147 с.

[14] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Львов М.В. и др. Проблемы систем смазки авиационных двигателей. Тепловые процессы в технике, 2021, т. 13, № 8, с. 357–384, doi: https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-8-357-384

[15] Алтунин В.А. Анализ тепловых процессов в жидких углеводородных горючих и охладителях двигателей летательных аппаратов. 46 Академические чтения по космонавтике. Т. 1. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2022, с. 428–430.

[16] Алтунин В.А., Львов М.В., Каськов А.С. и др. Проблемы осадкообразования в системах смазки двигателей летательных аппаратов. Современные проблемы ракетной и космической техники. Сб. науч. ст. 56 научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Казань, Школа, 2022, с. 99–113.

[17] Алтунин К.В. Функционально-стоимостной анализ горелочных устройств и форсунок. Казань, Изд-во КНИТУ-КАИ, 2020. 154 с.

[18] Алтунин В.А., Львов М.В., Щиголев А.А. и др. Расчет плотности моторного авиационного масла марки МС-20 при различных температурах и давлениях. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, № 2, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2023-2-2252

[19] Алтунин В.А., Львов М.В., Юсупов А.А. и др. Результаты экспериментальных исследований тепловых процессов в условиях вынужденной конвекции моторного авиационного масла марки МС-20. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, № 6, doi: http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2023-6-2285

[20] Алтунин В.А., Львов М.В., Юсупов А.А. и др. Результаты экспериментального исследования влияния электростатических полей на тепловые процессы в моторном авиационном масле марки МС-20 в условиях его вынужденной конвекции. Часть 1. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, № 11. EDN: IPBMWS

[21] Алтунин В.А., Львов М.В., Юсупов А.А. и др. Результаты экспериментального исследования влияния электростатических полей на тепловые процессы в моторном авиационном масле марки МС-20 в условиях его вынужденной конвекции. Часть 2. Инженерный журнал: наука и инновации, 2023, № 12. EDN: HLESWT

[22] Алтунин В.А., Львов М., Юсупов А.А. и др. Методики расчета влияния электростатических полей на теплоотдачу к моторному авиационному маслу марки МС-20 в условиях его вынужденной конвекции. Инженерный журнал: наука и инновации, 2024, № 7. EDN: KVVODU

[23] Алтунин В.А. Влияние критических давлений на тепловые процессы в жидких углеводородных горючих и охладителях. Казань, Школа, 2020. 209 с.

[24] Алтунин В.А. Свойства и негативность осадкообразования в двигателях и энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях. Казань, Школа, 2020. 129 с.

[25] Алтунин В.А. Термоакустические автоколебания давления в каналах двигателей и энергоустановок. Казань, Школа, 2020. 171 с.

[26] Алтунин К.В. Разработка методики расчета температуры внутренней стенки форсунки с целью предотвращения осадкообразования. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2020, № 4, с. 32–38.

[27] Алтунин К.В. Разработка новых удельных параметров реактивного двигателя. Вестник МАИ, 2020, т. 27, № 3, с. 146–154, doi: https://doi.org/10.34759/vst-2020-3-146-154

[28] Алтунин К.В. Разработка критериального уравнения влияния электростатических полей на теплообмен и осадкообразование в среде керосина при естественной конвекции. Инженерный журнал: наука и инновации, 2021, № 1, doi: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2021-1-2049

[29] Алтунин К.В. Разработка химического симплекса учета осадкообразования на стенках топливно-подающих каналов двигателей и энергоустановок. Инженерный журнал: наука и инновации, 2021, № 9, doi: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2021-9-2110

[30] Алтунин К.В. Разработка новой методики расчета толщины слоя углеродсодержащих осадков в топливных каналах тепловых двигателей и энергоустановок. Инженерный журнал: наука и инновации, 2021, № 10, doi: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2021-10-2119

[31] Алтунин К.В. Исследование влияния электростатических полей на теплоотдачу при естественной конвекции керосина. Тепловые процессы в технике, 2020, т. 12, № 9, с. 403–410, doi: https://doi.org/10.34759/tpt-2020-12-8-403-410

[32] Алтунин К.В. Разработка методики расчета теплоотдачи при влиянии осадкообразования и электрической конвекции в среде керосина. Тепловые процессы в технике, 2022, т. 14, № 7, с. 325–334, doi: https://doi.org/10.34759/tpt-2022-14-7-325-334

[33] Алтунин К.В. Разработка критериального уравнения вынужденного движения керосина с новым числом подобия электроконвекции. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2020, № 3, с. 30–33.

[34] Алтунин К.В. Разработка критериев подобия электроконвекции в углеводородных средах. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2012, № 1-2, с. 168–171.

[35] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р. и др. Некоторые пути совершенствования двигателей и энергоустановок марки «НК». Часть 1. Тепловые процессы в технике, 2021, т. 13, № 12, с. 530–542, doi: https://doi.org/10.34759/tpt-2021-13-12-530-542

[36] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р. и др. Некоторые пути совершенствования двигателей и энергоустановок марки «НК» на жидких и газообразных углеводородных горючих. Авиация и космонавтика. Тез. док. 20-й Межд. конф. Москва, Перо, 2021, с. 86–88.

[37] Алтунин В.А., Алтунин К.В., Абдуллин М.Р. и др. Некоторые пути совершенствования двигателей и энергоустановок марки «НК». Чаcть 2. Тепловые процессы в технике, 2022, т. 14, № 1, с. 9–21, doi: https://doi.org/10.34759/tpt-2022-14-1-9-21

[38] Львов М.В., Юсупов А.А., Алтунин В.А. Результаты экспериментального исследования тепловых процессов в моторных авиационных маслах при их естественной и вынужденной конвекции. 17 Королевские чтения. Т. 1. Самара. Изд-во Самарского университета, 2023, с. 203–204.

[39] Алтунин В.А., Платонов Е.Н., Абдуллин М.Р. и др. Некоторые пути совершенствования жидкостных ракетных двигателей (100-летию со дня рождения академика В.Е. Алемасова — посвящается). Идеи Циолковского в теориях освоения коcмоса. Мат. 58-х Научных чтений. Ч. 1. Калуга, Наша полиграфия, 2023, с. 201–205.

[40] Алтунин В.А., Львов М.В., Юсупов А.А. и др. Результаты экспериментального исследования тепловых процессов в системах смазки двигателей летательных аппаратов. Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества. Сб. тез. док. Межд. науч.-тех. конф. Москва, ИД Академии имени Н.Е. Жуковского, 2023, с. 51–52.

[41] Львов М.В., Алтунин В.А. Разработка экспериментальной установки для исследования влияния электростатических полей на тепловые процессы в моторных авиационных маслах в условиях вынужденной конвекции. 46 Академические чтения по космонавтике. Т. 1. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2022, с. 458–460.

[42] Алтунин В.А., Львов М.В., Щиголев А.А. и др. Экспериментальное исследование тепловых процессов при вынужденной конвекции авиационных моторных масел. В: Современные проблемы ракетной и космической техники. Казань, Школа, 2023, с. 204–218.

[43] Алтунин В.А., Платонов Е.Н., Абдуллин М.Р. и др. Проблемы создания жидкостных ракетных двигателей многоразового использования. К.Э. Циолковский: ключевые идеи и современные достижения космонавтики. Мат. 59-х Научных чтений. Ч. 1. Калуга, Эйдос, 2024, с. 178–182.

[44] Алтунин В.А., Юсупов А.А., Львов М.В. и др. Создание экспериментальной установки по исследованию влияния электростатических полей на тепловые и гидравлические процессы в топливных и масляных фильтрах двигателей летательных аппаратов воздушного, аэрокосмического и космического базирования. Сб. мат. 2-го Всерос. науч.-тех. форума по двигателям и энергетическим установкам имени Н.Д. Кузнецова. Самара, Изд-во Самарского университета, 2024, с. 170–172.

[45] Болога М.К., Бабой Н.Ф. Влияние электрического поля на теплообмен при кипении органических жидкостей. Электронная обработка материалов, 1967, № 3, с. 30–40.

[46] Бабой Р.Ф., Болога М.К. Некоторые особенности процесса кипения в электрическом поле. Электронная обработка материалов, 1968, № 2, с. 57–70.

[47] Бабой Р.Ф., Болога М.К. Теплообмен при кипении органических жидкостей в электрическом поле. В: Тепло и массоперенос. Т. 2. Минск, 1968, с. 197–204.

[48] Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. Кишинев, Штиинца, 1977. 320 с.

[49] Жакин А.И. Исследования электроконвекции и электроконвективного теплопереноса в жидких диэлектриках при униполярной инжекционной проводимости. Известия АН СССР. Механика жидкости и газа, 1988, № 2, с. 14–20.

[50] Стишков Ю.К., Буянов А.В., Лазарев А.С. Моделирование структуры электродинамических течений в несимметричной системе электродов. ЖТФ, 2005, т. 75, № 5, с. 46–51.

[51] Стишков Ю.К., Красильников С.Ю., Чирков В.А. Исследование электрогидродинамических течений в сверхсильных электрических полях. Электронная обработка материалов, 2012, № 48, с. 26–32.

[52] Гросу Ф.П., Болога М.К. Особенности электризации слабопроводящей диэлектрической жидкости во внешнем электрическом поле. Электронная обработка материалов, 2006, № 4, с. 37–45.

[53] Болога М.К., Кожевников И.В., Мардарский О.И. и др. Теплообмен при кипении в поле электрических сил. Электронная обработка материалов, 2012, № 4, с. 44–46.

[54] Гросу Ф.П., Болога М.К. Электроизотермическая конвекция и ее роль в процессе теплообмена. Электронная обработка материалов, 2008, № 3, с. 25–35.

[55] Мардарский О.И., Болога М.К. О механизме интенсификации теплообмена при кипении в поле электрических сил. Электронная обработка материалов, 2009, № 3, с. 42–48.

[56] Миролюбов Н.Н., Костенко М.В., Левинштейн М.Л. и др. Методы расчета электростатических полей. Москва, Высшая школа, 1963. 416 с.

[57] Остроумов Г.А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей. Москва, Наука, 1979. 320 с.

[58] Верещагин И.П., Левитов В.И., Мирзабекян Г.З. и др. Основы электрогазодинамики дисперсных систем. Москва, Энергия, 1974. 480 с.

[59] Петриченко H.A. Термические явления, сопровождающие электрический ветер в жидкостях. Электронная обработка материалов. 1973, № 6, с. 44–45.

[60] Савиных Б.В., Гумеров Ф.М. Свойства переноса диэлектрических жидкостей и тепломассообмен в электрических полях. Казань, Фэн, 2002. 384 с.

[61] Семенов К.Н., Болога М.К., Видрашко В.К. Влияние электрического поля на конвективную теплоотдачу в неполярной жидкости. Электронная обработка материалов, 1966, № 2, с. 48–52.

[62] Кожевников И.В., Болога, М.К. Влияние электрогидродинамических течений на интенсификацию процессов тепло- и массообмена. Часть 1. Электрогидродинамические течения и характеристики одноступенчатых ЭГД насосов. Электронная обработка материалов, 2022, т. 58, № 1, с. 58–78, doi: https://doi.org/10.52577/eom.2022.58.1.58

[63] Кожевников И.В., Болога М.К., Гросу Ф.П. Влияние электрогидродинамических течений на интенсификацию процессов тепло- и массообмена. Часть 3. Электроконвекция и электрогидродинамические насосы в системах охлаждения и термостатирования. Электронная обработка материалов, 2022, т. 58, № 3, с. 34–54, doi: https://doi.org/10.52577/eom.2022.58.3.34

[64] Федоненко А.И., Жакин А.И. Экспериментальные исследования электроконвективного движения в трансформаторном масле. Магнитная гидродинамика, 1982, № 3, с. 74–78.

[65] Апфельбаум М.С., Янтовский Е.И. О силе, действующей от игольчатого электрода на слабопроводящий жидкий диэлектрик, и вызываемых ею течениях. Магнитная гидродинамика, 1977, № 4, с. 73–80.

[66] Kronig R., Schwarz N. On the theory of heat transfer from a wire in an electric field. Appl. Sci. Res., 1949, vol. 1, pp. 35–54, doi: https://doi.org/10.1007/BF02120314

[67] Senftleben E., Braun W. Der Einfluß elektrischer Felder auf den Wärmestrom in Gasen. Z. Phyzik, 1936, vol. 102, no. 7–8, pp. 480–506, doi: https://doi.org/10.1007/BF01337819

[68] Atten P., Lacroix J.С. Non-linear stability of liquids subjected to unipolar injection. Journal de Mecanique, 1979, vol. 18, no. 3, pp. 469–510.

[69] Worraker W.J., Richardson A.Т. The effect of temperature — induced variations in charge carrier mobility on a stationary electrohydrodynamic instability. J. Fluid Mech., 1979, vol. 93, no. 1, pp. 29–45, doi: https://doi.org/10.1017/S0022112079001762

[70] Castellanos A., Atten P., Velarde M.G. Oscillatory and steady convection in dielectric liquid layers subjected to unipolar injection and temperature gradient. Phys. Fluids, 1984, vol. 27, no. 7, pp. 1607–1615, doi: https://doi.org/10.1063/1.864816

[71] Pontiga F., Castellanos A., Richardson A.T. The onset of overstable motions in a layer of dielectric liquid subjected to the simultaneous action of a weak unipolar injection of charge and a thermal gradient. Q. J. Mech. Appl. Math., 1992, vol. 45, no. 1, pp. 25–46, doi: https://doi.org/10.1093/qjmam/45.1.25

[72] Koulova-Nenova D., Slavtchev S. Numerical study of electrohydrodynamic stability of dielectric liquid layers subjected to unipolar injection. Mater. Sci., 1990, vol. 16, no. 4, pp. 53–59.

[73] Koulova-Nenova D., Slavtchev S. Electrohydrodynamic stability of two dielectric liquid layers at unipolar injection. Electrostatics, 1991, Inst. Phys. Conf. Ser. No 118, IOP Publishing LTD, Bristol, 1991, pp. 317–322.

[74] Chang J.S., Kelly A.J., Crowley J.M. Handbook of electrostatic processes. CRC Press, 2018.

[75] Kelly A. The electrostatic atomization of hydrocarbons. ICLASS-82, 1982, pp. 57–65.

[76] Iranshahi K., Defraeye T., Rossi R.M. et al. Electrohydrodynamics and its applications: Recent advances and future perspectives. Int. J. Heat Mass Transf., 2024, vol. 232, no. 5, art. 125895, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125895

[77] Щукин В.К., ред. Теория и техника теплофизического эксперимента. Москва, Энергоатомиздат, 1985. 360 с.