Совершенствование метода определения облика золотниковой камеры сгорания постоянного объема с исследованием ее характеристик

Актуальность работы.

Известно, что при равных степенях предварительного повышения давления воздуха 7ГК идеальный термодинамический цикл с подводом тепла при постоянном объеме (V=const) обладает большим термическим коэффициентом полезного действия (КПД), чем цикл при постоянном давлении (P=const). Преимущества цикла V=const пытались реализовать при создании газотурбинных установок (ГТУ) в XX веке ряд ученых: В. В. Караводин, Г. Хольцварт. В Германии разрабатывался пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) П. Шмидта, в СССР — ПуВРД В. Н. Челомея. При создании двигателей проявились их следующие основные недостатки.

1. Неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики, из-за прерывистого течения газа.

2. Низкая надежность двигательной установки, из-за сложной системы клапанов (определялась конструкцией камеры сгорания).

3. Неудовлетворительные значения удельного расхода топлива и тяги, в бескомпрессорных ПуВРД.

Эти недостатки, определившие задачи исследования и не позволившие реализовать преимущества цикла V=const, с одной стороны, и успехи в создании воздушно-реактивный двигателей (ВРД) при P=const (рост 7СК, Тг и КПД узлов), с другой стороны, привели к тому, что в настоящее время ВРД с циклом V=const серийно не производятся. Вместе с тем, замедление прогресса в создании традиционных ВРД при P=const, рост их стоимости, возникшая необходимость в силовых установках нового назначения, дешевых двигателях для беспилотных летательных аппаратов (БЛА), вызвали вновь интерес к циклу V=const. Решению проблем создания реактивных двигателей V=const способствуют возросшие возможности математического моделирования сложных пульсирующих рабочих процессов на современных ЭВМ, накопленный научно-технический задел. В последнее время возросло и количество публикаций, изобретений по этой теме.

Предложенная концепция золотниковой камеры сгорания (КС) постоянного объема (V=const) позволит решить ряд выше перечисленных проблем и повысить эффективность пульсирующих реактивных двигателей. Поэтому, проведенное исследование следует считать актуальным.

Цель работы.

Совершенствование метода определения облика камеры сгорания с золотниковым газораспределительным устройством и анализ результатов ее экспериментального и расчетного исследования.

Задачи работы.

1. Провести исследования золотниковой камеры на экспериментальном стенде для подтверждения ее работоспособности и оценки полученных параметров.

2. Разработать математическую модель и методику расчета золотниковой камеры сгорания, ее рабочих процессов и теплового состояния, с использованием полученных экспериментальных данных. Выполнить расчетные исследования золотниковой камеры.

3. Определить эффективность золотниковой камеры, по сравнению с другими камерами периодического сгорания и область ее применения.

Методы исследования.

Для достижения поставленных задач использовались:

— данные по экспериментальным исследованиям камер периодического сгорания в Ml ТУ им. Баумана и ОКБ «Сокол» г. Казань;

— основы теории двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных двигателей (ГТД);

— материалы по созданию математических моделей.

Научная новизна работы.

1. Посредством разработанной математической модели золотниковой камеры сгорания, адекватно описывающей рабочие процессы с учетом режимных и геометрических параметров, а также остаточных газов, теплообмена между стеками камеры и рабочим телом, усовершенствован метод определения ее облика.

2. Проведены экспериментальные исследования физической модели золотниковой камеры:

— показавшие удовлетворительное совпадение с расчетными данными;

— позволившие осуществить калильное воспламенение смеси и повысить характеристики камеры за счет напыления теплозащитного покрытия и установки стабилизаторов.

3. Численные исследования золотниковой камеры выявили, что:

— для улучшения ее характеристик при увеличении объема и частоты вращения необходимо увеличение диаметров проходных отверстий, угла опережения впрыска топлива и перепада давлений на входе и выходе камеры;

— возможна организация калильного воспламенения топливной смеси благодаря высокой, более 1000 К, температуре внутренней поверхности стенка теплозащитного покрытия;

— золотниковая камера имеет лучшие характеристики, чем рассматриваемые камеры периодического сгорания.

Практическая ценность.

Экспериментальные данные и созданная математическая модель позволят сократить время разработки и доводки новой энергетической установки или пульсирующего двигателя, в которых применяется золотниковая камера сгорания V=const. Проведенные исследования золотниковой камеры сгорания показали ее высокие характеристики:

— организация сгорания топливной смеси при постоянном объеме;

— высокая частота рабочих пульсаций до 200 Гц;

— запуск при перепаде давлений на ней, ДР=0,001 МПа;

— возможность работы при температуре сгорания Т=2300 К.

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы при создании и доводке в ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) экспериментального образца пульсирующего воздушно реактивного двигателя (ПуВРД).

Апробация работы.

Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на научных мероприятиях.

1. Заседаниях кафедры «Авиационные двигатели».

2. III Международном совещании по использованию энергоаккумули-рующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе, Москва, 2002 г.

3. Международных научно-технических конференциях, посвященных памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова 2001 и 2003 г., Самара.

4. Научных чтениях по авиации, посвященных памяти Н. Е. Жуковского, Москва, 2003 г.

5. Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов: «Современные проблемы аэрокосмической науки», Жуковский, 2002 г.

6. Всероссийской научно-технической конференции: «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», Рыбинск, 2002 г.

5.4 Выводы по разделу.

В главе проанализированы примеры использования золотниковой камеры в энергодвигательных установках.

Расчетно-конструкторская проработка применения ПуВРД на базе золотниковой КС V=const для БЛА показала, что такой пульсирующий двигателшеет габариты близкие к габаритам современных МГТД;

— обладает лучшей на 30% экономичностью и развивает большую скорость полета, чем бесклапанный ПуВРД разработанный в ОКБ «Сокол» (г. Казань);

— позволяет получить удельную тягу 750- 900 Н-с/кг, что больше чем у МГТД (500- 550 Н-с/кг);

— обладает более простой, а следовательно, и более дешевой конструкцией, по сравнению с МГТД.

Применение золотниковой камеры в качестве стартера позволит использовать ее единой для подогрева и раскрутки системы запуска дизелей мощностью до 500 кВт в условиях Севера, при стоимости системы не выше стоимости существующих систем запуска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Технически реализована и исследована принципиально новая конструкция камеры сгорания с газораспределительным устройством золотникового типа, реализующая термодинамические преимущества процесса горения при постоянном объеме, отличающаяся, от ранее созданных камер периодического сгорания, простотой конструкции, малым удельным весом и высокой частотой циклов.

2. При экспериментальных исследованиях золотниковой камеры:

— продемонстрирована ее работоспособность в диапазоне частот вращения золотника от 2000 до 6000 мин" 1, максимальная частота в эксперименте ограничивалась возможностями топливной аппаратуры;

— осуществлен запуск при низком перепаде давлений на камере равном АР=0,001 МПа, зафиксированное максимальное давление при сгорании 0.65 МПа;

— создаваемый в камере вращающий момент может быть использован для привода, как самого золотника, так и агрегатов, обеспечивающих работу камеры;

— показано, что применение стабилизатора пламени позволило повысить качество протекания процесса сгорания и, совместно с нанесенным теплозащитным покрытием на внутреннюю стенку камеры, обеспечить калильное воспламенение топливо-воздушной смеси.

3. Создана одномерная математическая модель камеры сгорания с газораспределительным устройством золотникового типа, основанная на допущениях: квазистационарности процессов, рабочее телоидеальный газ, отсутствия диссоциации и утечек газов через уплотнения. Математическая модель золотниковой камеры позволяет определить облик камеры с учетом наличия остаточных газов и теплообмена между рабочим телом и стенкой камеры. Совпадение расчетных данных, полученных с помощью математической модели, с экспериментальными данными подтверждает ее адекватность.

4. Выполненные на математической модели исследования золотниковой камеры показали что:

— возможна организация рабочего процесса с частотой циклов достигающей 200 Гц;

— возможна организация калильного воспламенения топливной смеси благодаря высокой, более 1000 К, температуре внутренней поверхности стенки теплозащитного покрытия;

— для улучшения условий протекания процессов газообмена необходимо, при разработке, минимизировать угловое расстояние между ее входным и выходным отверстиями;

— для улучшения ее характеристик при увеличении объема и частоты вращения, ухудшающих условия для протекания процессов газообмена и сгорания, необходимо увеличение диаметров проходных отверстий, угла опережения впрыска топлива и перепада давлений на входе и выходе камеры;

— при применении опережения впрыска топлива в камеру она эффективней ранее разработанных камер периодического сгорания.

5. Расчетно-конструкторская проработка показала, что применение золотниковой камеры в пульсирующих реактивных двигателях позволит увеличить их экономичность на 30% и расширить диапазон скоростей полета до значений числа Мп= 0,8 и выше. По сравнению с малогабаритными ТРД и ТРДЦ пульсирующий двигатель, на основе золотниковой камеры, при тех же габаритно-массовых характеристиках, имеет большую на 30— 40% удельную тягу, значительно меньшую стоимость, что важно для БЛА, особенно разового применения.