Введение к работе
Актуальность.Эффективность решения многих задач в авиационной и космической технике определяется достижениями в области бортовых систем летательных аппаратов.
Как энергопроизводящие так и энергопотребляющие бортовые
истемы требуют новых идей и конструктивных решений,
озволяющих улучшить их эффективность и эксплуатационные
арактеристики. В настоящее время созданы и испытаны космические
нергосистемы с высокоэффективными машинными
реобразователями, которые будут эксплуатироваться на больших рбитальных станциях. В основном это установки, работающие по імкнутьім регенеративным циклам Ренкина, Брайтона, Стерлинга ощностью до 200 и более КВт.
Определенное место занимают бортовые системы с уровнем мощ-ости до 5 КВт, относящиеся к области микроэнергетики. Среди яергопроизводящих это резервные или аварийные системы, спользующие указанные выше циклы. Энергопотребляющие - это ортовые системы обеспечения теплового режима, системы хлаждения, криогенные системы, насосы и компрессоры, входящие в остав технологического и научного оборудования а также вооружения.
К аэрокосмическим бортовым системам предъявляются особые ребования, значительно отличающиеся от требований к системам ругого назначения. К таким требованиям относятся: длительный есурс работы, высокая надежность, малое энергопотребление или ысокий к.п.д., автономность, минимальные масса и габариты, низкие ровни вибраций и шума и ряд других.
В целом ряде случаев существующие системы не удовлетворяют ак отдельным условиям, так и всему комплексу предъявляемых к ним ребований.
Вместе с этим необходимый ресурс бортовых систем в іачительной степени зависит от объекта размещения. Для наземных истем достаточно нескольких тысяч часов, после чего могут
проводиться регламентно-ремонтные работы. Авиационные бортовые системы удовлетворяет ресурс 1,..10 тыс. часов. Бортовые системы, входящие в комплекс ракетной техники, особенно вооружения, требуют малого ресурса, вплоть до нескольких часов.
Анализ характеристик существующих термомеханических преобразователей бортового применения показывает, что этап улучшения их характеристик заканчивается. Это связано с тем, что резервы по совершенствованию рабочих процессов и конструкций поршневых машин к настоящему времени уже почти полностыс исчерпаны.
В большинстве своем системы авиационно - космического назначения требуют полной герметичности и чистоты внутреннего контура Кроме того в микроэнергетике, для уровня малых мощностей, когдг масштабный фактор в сильной степени влияет на совершенство рабочего процесса, существующие для этих машин проблемы герметизации, смазки, теплообмена вступают в противоречие с экономичностью у надежностью.
Частично или полностью эти проблемы могут быть решены
конструкциях машин, в которых рабочие цилиндры выполнены в вид*
складывающихся мембранных сильфонов. Обладая полно*
герметичностью, большой поверхностью теплообмена, не нуждающиеа в смазке сильфонные рабочие полости обеспечивают высоко* совершенство рабочих процессов и тем самым улучшают термодинамическую эффективность систем.
Новизна сильфонных тепловых двигателей, холодильных машин компрессоров, насосов кроме изготовления их опытных образцов тре бует разработки методов, создания специальных стендов и проведенні исследований как теоретического плана (математические модели), таї и экспериментальных.
Комплекс таких предварительных исследований и опережающи: испытаний кроме изучения рабочих процессов в сильфонных машина:
олжен обеспечить получение характеристик в диапазонах изменения режимных параметров эксплуатации. Одновременно конструкторские проработки, макетирование, изготовление экспериментальных бразцов являются важными составляющими в этапах исследований, то позволяет значительно сократить время а материальные затраты на азработку и ускорить проведение летных испытаний бортовой системы собенно с новыми конструктивно-компоновочными и ксплуатационными свойствами.
Вполне очевидно, что разработка и создание устройств с ильфонными рабочими полостями будут являться примером ехнологии двойного применения. Так, например, сильфонные насосы компрессоры для перекачки и компримирования особо чистых, оксичных и агрессивных сред необходимы в наземных химических, >армацевтических, пищевых производствах, а система охлаждения егко конверсируется в аппаратуру медицинского назначения.
Решающее значение в оценке технико-экономических характерис-ик сильфонных машин будут иметь сведения о процессах в рабочих юлостях, обусловленных особенностью работы сильфонов, их эффек-ивностью как теплообменников, гидравлическими потерями, влиянием онструктивных параметров и др. Отсутствие данных, позволяющих ценить характеристики таких машин, делает задачу их исследований ктуальной, что имеет практическое значение для создания перспек-ивных термомеханических преобразователей (ТМПТ).
Цель работы. В связи с вышеизложенным предлагаемая (иссертационная работа ставит перед собой выполнение следующих (елей:
1 Проведение опережающих расчетно-теоретических и экспериментальных исследований сильфонных машин для оценки характеристик и определения областей их использования в бортовых системах авиационно-космического назначения.
Создание рабочих методик и комплекса инженерных и проектировочных рекомендаций по расчету и конструированию термомеханических преобразователей с сильфонными рабочими полостями.
Задачи исследований:
изучение функциональных и параметрических свойств и
определение характеристик сильфона как рабочей полости
изменяемого объема;
исследование теплообмена и гидродинамики сильфона;
математическое моделирование рабочих процессов сильфонных
двигателя и холодильной машины Стирлинга а также
микрокомпрессора с гидроприводом;
создание и экспериментальная отработка стендового оборудование
для исследования сильфонных термомеханическю
преобразователей в режимных и параметрических диапазона)
условий эксплуатации;
получение характеристик трех типов сильфонных ТМП: двигатеш
и холодильной машины Стирлинга и сильфонноп
микрокомпрессора с гидроприводом;
определение характеристик бортовых систем с использование*.
Методы исследований базировались на теории рабочю процессов тепловых и холодильных машин, гидрогазодинамики, теориї и практике теплофизического эксперимента и включают в себя математическое моделирование и решение систем дифференциальны) уравнений с использованием численных методов расчета на ЭВМ использование теории подобия; экспериментальные стендовьи исследования макетов и опытных образцов.
Научная новизна.
Разработана методика и выведены расчетные соотношения дл:
зыбора параметров и характеристик складывающихся мембранных сильфонов, применяемых в качестве рабочих полостей изменяемого объема в тепловых, холодильных и компримирующих машинах.
Выявлены специфические особенности и численно определены параметры течения теплоносителя при его перемещении в полостях секций сильфона.
Установлены закономерности теплоотдачи внутри и снаружи сильфона, а также динамика передачи тепла. Получены критериальные соотношения, позволяющие использовать их для расчета коэффициентов теплоотдачи на сильфоне при его самовентиляции и интенсифика-дии внешнего теплообмена за счет фронтального обдува.
Разработана методика и получены расчетные формулы для определения гидропотерь снаружи сильфона при его работе в гидравлической камере в условиях несжимаемой жидкой среды.
Разработаны и испытаны экспериментальные образцы сильфонного двигателя внешнего подвода тепла (СДВПТ) общей мощность до 500 Вт, снльфонной газовой холодильной машины СГХМ) Стирлинга с полезной холодопроизводительностью до 10 Вт іри температуре термостатирования 150 К и сильфонного ликрокомпрессора (СМК) с гидроприводом.
Разработаны уточненные методики расчета сильфонных машин, тозволяющие прогнозировать характеристики рабочего процесса проектируемого устройства со степенью приближения к реальному объекту 5 3...8%.
Получены характеристики энергоустановки на базе СДВПТ, авиа-шонной системы охлаждения на базе СГХМ и дроссельной системы ох-іаждения с СМК, подтверждающие возможность применение сильфонных термомеханических преобразователей на борту іетательньїх аппаратов, а также перспективы их конверсионного ірименения.
Практическая ценность. Разработаны методические основы расчета и проектирования тепловых, холодильных и компримирующнх машин с сильфоннымп рабочими полостями. Доказана практическая возможность создания отдельного класса сильфонных машин и разработки типо-ряда ТМПТ различного назначения с улучшенными (в отдельной разработке уникальными) характеристиками. Применение сильфонов позволяет создать экологически чистые устройства и заполнить параметрическую нишу по требованиям герметичности, чистоты рабочего тела, вибрационно-акустическим и частотным характеристикам. Результаты исследований использованы при разработке авиационных систем охлаждения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в течении ряда лет на Всесоюзных и Республиканских конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе: Всесоюзных конференциях по ДВС ( 1973, МВТУ г.Москва; 1977, ЦНИДИ г.Ленинград; 1978,МВТУ г.Москва; 1979,ФТИ АН УзССР г.Ташкент; 1981, ТАДИ г. Ташкент), конференции по криогенике (1987, МВТУ, г.Москва), Всесоюзные конференции по микроэнергетике (1973 - 1990 г.г. КуАИ ,г.Куйбышев),научно-практической конференциии по гидроприводу (1994, СГАУ г.Самара), Научно-технической конференции по проблемам и перспективам развития двигателестроения (1998, СГАУ г.Самара), Всероссийской научно-технической конференции по теплофизике процессов горения и охраны окружающей среды (1999, РГАТА г.Рыбинск), специализированном научно-техническом семинаре по процессам горения и экологии тепловых двигателей (1998,1999, СГАУ г.Самара), объединенной международной научно-технической конференции по проблемам и перспективам развития двигателестроения в поволжском регионе ( 1999, СГАУ г.Самара).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты работы представлены в 37 публикациях, из которых одна- монография
7 /, a 24 - статьи в тематических сборниках, трудах конференций, митральной и республиканской периодике. Предложенные инструкции защищены 12 авторскими свидетельствами на изобре-ше.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, сти глав и общих выводов. Она изложена на 230 страницах сета, содержит 133 рисунка, 5 таблиц, библиография включает 89 именований.
