Стендовое моделирование физических процессов базируется на теории подобия и анализа размерностей. Обязательными требованиями к моделированию физических процессов считаются подобие формы и физическое подобие исследуемой модели и натурного образца, причём значения переменных параметров, определяющих явления, должны быть пропорциональны значениям тех же параметров для натурных условий. Присутствие такого рода пропорциональности дает возможность осуществлять пересчёт экспериментальных результатов, получаемых для модели, на натурный образец методом умножения каждого получаемого параметра на определенный множитель — коэффициент подобия. Особый вид моделирования физических процессов заключается в применении устройств, объединяющих физические модели с натурными образцами. К таким устройствам относятся испытательные и имитационные стенды. В настоящее время существует значительное количество теоретических работ [1, 6], которые посвящены исследованию физических процессов, протекающих в энергетических и авиационных газотурбинных двигателях (ГТД). В рамках указанных работ проводится большое количество экспериментов для подтверждения выдвигаемых научных гипотез и рабочих параметров ГТД, для чего используют испытательные и экспериментальные стенды разного масштаба и назначения, на которых исследуются как отдельные детали и узлы, так и двигатель в целом.
При этом для обеспечения работы двигателя используется ряд вспомогательных систем, входящих в состав газотурбинной установки (ГТУ) и оказывающих влияние на ключевые параметры ГТД, такие как его коэффициент полезного действия, надежность и т.д. [5]. В этих системах протекают взаимосвязанные процессы разной физической природы, исследование и испытания которых может проводиться как на промышленных образцах, в естественных условиях эксплуатации, так и в стендовых условиях, с возможностью имитации различных комбинаций как условий внешней среды, так и параметров вспомогательной системы.
Так, для обеспечения ГТУ цикловым воздухом необходимого качества применяется воздухоочистительное устройство (ВОУ), при работе которого, атмосферный воздух очищается от частиц пыли и направляется на вход ГТД. При этом в условиях различных природных зон и разных климатических условий атмосферный воздух может иметь разные плотность, температуру, давление, влажность и массовую концентрацию пыли, которые оказывают влияние на эффективность работы основных элементов ВОУ. Для экспериментального исследования работы ВОУ с имитацией различных внешних условий необходимо обеспечить: подобие массового расхода воздуха, необходимого для работы газотурбинного двигателя и изменение параметров атмосферного воздуха, указанных выше. При этом, с учетом существования различных типов ВОУ[7], в состав имитационного стенда необходимо включить блоки, включающие натурные образцы инерционных пылеуловителей и накопительных воздушных фильтров. Техническое решение такого имитационного стенда представлено на рис. 1 в виде технологической схемы.
Представленное техническое решение имитационного стенда представляет собой комплекс оборудования, состоящего из трёх секций. Секция А предназначена для стендового моделирования условий различных природных зон и включает в себя три основных устройства: устройство для обеспечения концентрации пыли А2 соответствующее различным природным зонам [7], устройство для распыла или испарения воды А3 с целью повышения влажности воздуха и устройство для повышения температуры воздуха А1. Секция Б предназначена для имитации работы ВОУ любого из трёх типов [7]: инерционного, фильтрующего и инерционно-фильтрующего, что достигается за счёт монтажа или демонтажа универсальных блоков Б3 и Б5 с одинаковыми присоединительными размерами и содержащих натурные образцы воздухоочистительных устройств. Секция Б содержит ряд блоков Б2, Б4 и Б6, которые имеют возможность размещать в тракт стенда различное измерительное оборудование. Также в секцию Б входит имитатор магистрали удаления пыли Б8, присутствующий в ряде ВОУ [4]. Секция В предназначена для имитации работы газотурбинного двигателя в части создания необходимого расхода воздуха с учетом коэффициента подобия.
Одним из вариантов реализации представленного технического решения являлся стенд, разработанный при участии автора и изготовленный в 2005 г. (рис. 2), который в ходе проведенных на нём экспериментов подвергался доводке и доработке. Стенд функционирует до настоящего времени, что позволило исследовать новые воздухоочистительные устройства и их компоненты.
Рис. 1. Технологическая схема испытательного стенда: А1 – устройство для повышения температуры воздуха; А2 – устройство для обеспечения концентрации пыли; А3 – устройство для распыла или испарения воды; Секция Б: Б1 – блок подготовки воздуха; Б2, Б4, Б6 – типовые блоки для размещения измерительного оборудования; Б3, Б5 – универсальные блоки для размещения натурных образцов воздухоочистительных устройств; Б7 – блок для отвода очищенного воздуха; Б8 – канал для удаления пыли; В1 – вентилятор для имитации работы газотурбинного двигателя
Рис. 2. Стенд имитации ВОУ
Рис. 3. Прямоточный циклон с байпасным клапаном
В целом представленное техническое решение представляет собой аэродинамическую трубу открытого типа, предназначенную для стендового моделирования и исследования основных физических процессов, протекающих в ВОУ стационарных ГТУ, например, таких как процесс двухфазного течения запыленного воздуха в устройствах инерционной сепарации пыли, процесс улавливания пыли в фильтрующих материалах, процессы образования и удаления инея на фильтрующих элементах и др. Так, с применением указанного стенда при участии автора был изобретен и запатентован [2, 3] прямоточный циклон с байпасным клапаном (рис. 3), устанавливаемым в циклон для дополнительной подачи воздуха в случае засорения основного входа.
Рассмотрим проведенное исследование процесса очистки в указанном прямоточном циклоне с байпасным клапаном при имитации ГПА эксплуатируемого в условиях лесотундры. Для проведения исследования с целью определения гидравлического сопротивления и эффективности очистки была выполнена имитация следующих специфических для указанного случая условий: массовая концентрация пыли на входе в стенд Свх = 0,12 мг/м3, расход очищенного воздуха через один прямоточный циклон Gц в диапазоне от 0,2 до 0,8 кг/с и расход воздуха через канал удаления пыли GОТС = 0,1Gц.
Подача пыли осуществлялась в секции 1 стенда при помощи специализированного устройства, в которое загружалась кварцевая пыль по ГОСТ 8002–74. При помощи сжатого воздуха и встроенного вентилятора, на выходе из устройства, создавалась струя запыленного воздуха, которая постоянно перемешивалась с окружающим воздухом. В конструкции устройства были предусмотрены регулирующие краны, за счёт которых задавалась концентрация пыли в блоке Б1. Измерение получаемой массовой концентрации пыли осуществлялось при помощи лазерного или фотоэлектрического счётчика частиц, с забором проб в блоке Б2.
Настройка и измерение расхода воздуха осуществлялись в секции 3 при помощи заслонки и диафрагмы, установленных за центробежным вентилятором В1. Настройка и измерение расхода воздуха, попадающего в канал удаления пыли, производились за вентилятором Б9. В блок Б3 устанавливались исследуемые образцы прямоточного циклона, а в блоках Б2 и Б4 – гребенки приёмников полного и статического давления и трубки для осуществления забора проб запыленного воздуха.
При включении вентилятора В1 создавалось разряжение воздуха и в стенд поступал подготовленный в устройстве А2 и блоке Б1 запыленный воздух с необходимой концентрацией пыли, который пропускался через натурные образцы исследованного прямоточного циклона в блоке Б3, где и производилась инерционная очистка.
При проведении исследований фиксировались и обрабатывались следующие параметры двухфазного потока:
(1)
где Tпр – приведенная температура, К; Tизм – измеренная температура, К;
(2)
где Pпр – приведенное давление, мм рт. ст.; Pизм – измеренное давление, мм рт. ст.
Массовый расход воздуха Gосн через основной воздушный канал определялся при помощи стандартной диафрагмы:
кг/с, (3)
где pосн – абсолютное давление перед диафрагмой; ∆pосн – перепад давления на диафрагме, tосн – температура воздуха перед диафрагмой, °С.
При этом
pосн = pосн.изб + Pизм⋅133,32, Па, (4)
где pосн.изб – избыточное давление перед диафрагмой.
Массовый расход Gотб через канал удаления пыли определялся также при помощи стандартной диафрагмы:
кг/с, (5)
где pотб – абсолютное давление перед диафрагмой; ∆pотб – перепад давления на диафрагме, tотб – температура воздуха перед диафрагмой, °С.
При этом
pотб = pотб.изб + Pизм⋅133,22, Па. (6)
Гидравлическое сопротивление циклона 
при различных расходах Gосн определялось как разность между значением давления после блока циклона и перед ним:
(7)
где 
и 
– средние значения давлений в соответствующих блоках тракта стенда.
Далее на основании полученных значений 
при различных расходах воздуха строился график зависимости 
, а эффективность очистки циклона определялась путём измерения массовой концентрации частиц Eц в блоках до циклона Cвх и после него Cц:
(8)
Для снижения погрешности определения каждого параметра его измерение проводилось не менее 7 раз.
Испытания на надежность срабатывания байпасного клапана проводились при помощи специального регулирующего устройства (рис. 4), которое устанавливалось на циклон. При этом моделировалось влияние перекрытия входа на перепад полного давления воздуха 
, для чего площадь входа перекрывалась в диапазоне от 50 до 100 % с шагом 5 %.
Рис. 4. Устройство для перекрытия входа в циклон
Рис. 5. Байпасный клапан прямоточного циклона
Срабатывание байпасного клапана (рис. 5) происходило сразу при запуске вентилятора В1. При уменьшении площади поперечного сечения входа клапан открывался шире, ширина открытия L увеличивалась, после чего обеспечивался дополнительный подвод воздуха. Проведенный эксперимент позволяет оценить зависимость гидравлического сопротивления прямоточного циклона 
от ширины открытия байпасного клапана L и степени перекрытия входа в циклон и смоделировать работу байпасного клапана в условиях засорения входа в циклон.
Таким образом, моделируя на специализированном стенде работу прямоточных циклонов в составе ГТУ в природной зоне лесотундра, мы можем определить основные параметры исследуемых конструкций прямоточного циклона. При этом стендовое моделирование засорения входа в циклон, при помощи дополнительных приспособлений, позволяет проверить срабатывание байпасного клапана и оценить его влияние на гидравлическое сопротивление циклона.
Рецензенты:
Щукин А.В., д.т.н., профессор кафедры теплотехники и энергетического машиностроения, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, г. Казань;
Михеев Н.И., д.т.н., профессор кафедры реактивных двигателей и энергетических установок, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, г. Казань.