Введение к работе
Акпгуальность темы. В последние годы в России и за рубежом интенсивно разрабатываются различные МГД преобразователи для аэрокоемнческой техники, транспортных установок и морских судов. Так, например, на аэрокосмических ЛА с высокотемпературными ракетными двигателями jfT>3500K) нетрадиционные схемы МГД генераторов (МГДГ) могут оказаться перспективными источниками электрической энергии большой мощности (1-И 00 МВт). Использование МГДГ в составе энергосиловых установок позволит заменить в системах с ЖРД традиционные турбонасосные агрегаты на электронасосные системы подачи топлива, а также позволит разрабатывать новые типы двигателей большой тяги. Другим примером применения нетрадиционных схем МГД преобразователей большой мощности (~30 МВт) являются полностью или частично электрифицированные ЛА и МГД движители надводных и подводных морских судов, разработка которых ведется в Японии, США, России и др.
Наиболее интересной схемой нетрадиционного МГД преобразователя большой мощности (~ 10-=-40 МВт) является кондукционный фарадеевский многополюсный МГД канал со сплошными электродами (рис. 1) [1-7]. В зависимости от числа пар полюсов Р многополюсные МГД каналы позволяют осуществлять МГД преобразование энергии как в периферийной (Р>3), так и в центральной части струи потока (Р^2). Такие МГДГ позволяют получать большие мощности на борту ЛА за счет отбора малой доли энергии (~1 %) от струи высокотемпературного ракетного двигателя (РД) при минимальных потерях удельной тяги. Например, при тяге РД ~ 80 т (тепловая мощность двигателя ~ 2000 МВт) многополюсный МГДГ позволяет получать ~ 10 МВт электрической мощности на борту ЛА при уровне потерь удельной тяги ~ 1 %. В двигательных (ускорительных) режимах работы многополюсные МГД каналы могут использоваться в гиперзвуковых аэродинамических трубах для выравнивания полей скоростей газового потока, а также в качестве МГД компрессоров двигателей перспективных гиперзвуковых атмосферных ЛА с числом Маха М>10. Многополюсные МГД каналы с внешним обтеканием потока в двига-
тельных режимах работы могут найти применение в качестве МГД движителе? морских судов (схема С. Вэя и др.).
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы явля ется разработка принципиально новых многополюсных МГД каналов для электро энергетических установок авиационно-космической техники и транспортных сие тем. Задачами данной работы являются:
-
Построение аналитических решений комплекса объемных электродннами ческих и магаитогидродинамических задач для расчета локальных электромагнит ных полей и до-, сверх- и гиперзвуковых МГД течений в многополюсных цилиндри ческих и конических МГД каналах с различной конфигурацией электродных моду лей (тонких цилиндрических, U-образных, модульных).
-
Разработка методов расчета интегральных характеристик многополюсныз цилиндрических и конических МГД каналов с учетом влияния эффекта Холла, па раметра МГД взаимодействия, конструкттшных особенностей электродных модулеї и приэлектродных пограничных слоев.
-
Экспериментальные исследования на плазменных моделях предложенны; схем многополюсных МГД каналов в условиях их работы на высокотемпературны) плазменных потоках при наличии эффекта Холла и реализации МГД преобразова ния в различных областях течения с целью подтверждения основных положенні разработанных теоретических моделей.
-
Разработка рациональных конструктивных схем энергосиловых установот мощностью 10-5-20 МВт с встроенным многополюсным МГДГ, работающим на про дуктах сгорания химического топлива (Н2Ж-+С>2Ж с присадками цезия).
-
Разработка конструктивной схемы многополюсного МГДГ для энергодвига тельной установки мощностью 25 МВт с ядерным реактором для пилотируемой полета к Марсу.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы тео рии возмущений, ТФКП, методы теории функций Грина и рядов Фурье, а такжі современные численные методы решения гиперболических систем дифференциаль ных уравнений в частных производных. В экспериментальных исследованиях ис
пользовались метода.» теории подобия при исследовании процессов и выходных характеристик в МГД каналах. Количественные расчеты проводились с использованием ЭВМ (типа PC АТ-486).
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:
-предложены новые схемы кондукционных многополюсных МГДГ, позволяющие осуществлять МГД преобразование как в периферийной так и в центральной зоне высокотемпературных плазменных струй;
получены аналитические решения задач, описывающие объемные электродинамические и магнитогидродннамические процессы с учетом режима течения потока (до-, сверх- и гиперзвукового), эффекта Холла и параметра МГД взаимодействия в многополюсных цилиндрических и конических МГД каналах с различной конфигурацией электродных модулей;
разработаны универсальные математические модели, алгоритмы и программы расчета локальных и интегральных характеристик миогополюсных МГД каналов с различным конструктивным исполнением электродных модулей;
проведен сравнительный анализ многополюсных МГД каналов с различным конструктивным исполнением электродных модулей и сформулированы рекомендации по проектированию конкретных энергосиловых установок;
на плазменных моделях многополюсных МГД каналов получены экспериментальные данные, подтвердившие основные положения разработанных теоретических моделей.
Практическая ценность работы. Разработаны схемы и определены параметры принщшиалыю новых энергосиловых и электроэнергетических установок на базе многополюсных МГД каналов для перспективной аэрокосмической техники и транспортных систем. В том числе:
- разработана конструктивная схема энергосиловой установки с встроенным в
сопло ракетного двигателя многополюсным МГДГ, работающим на продуктах сго
рания химического топлива (Нгж+Огж с присадками цезия). Показано, что такая
установка при тяге двигателя — SO т обеспечивает получение электрической мои пости ~ 10 МВт^ при этом потери удельной тяги относительно невелики ~ 1 %;
- разработана конструктивная схема многополюсного МГДГ для энергодвиг тельной установки с ядерным реактором для пилотируемого полета на Map показано, что применение на боргу двигательной установки с удельным импульсо 2-Ю4 Н с/кг многополюсных МГДГ позволяет получать при малых потерях удел ной тяги (~ 2%) электрическую мощность ~ 25 МВт, достаточную для питания бо] товых потребителей.
Реализация результатов работы. Выполнены проектные разработки конкре ных энергосиловых установок мощностью 10 и 25 МВт для перспективной аэроко мической техники. Разработанные теоретические модели, алгоритмы и программ и предложенные конструктивные схемы внедрены в проектные разработки энерг силовых установок с химическим и ядерным ракетными двигателями. Спроектир вана универсальная установка и плазменная модель многополюсного МГДГ, позв ляющая проводить детальные экспериментальные исследования характеристик параметров различных конструктивных схем многополюсных МГДГ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдел ные разделы докладывались на: 11 международной научно-технической конфереї ции по МГД преобразованию энергии (Китай, 1992 г.), 30 международном сими зиуме SEAM (США, 1992 г.), на конференции "Приоритетные направления разв] тия и проблемные вопросы бортовых, двигательных и энергетических установо] (г. Москва, 1993 г.). Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах изложены в 4 научно-технических отчетах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, чеп рех глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации содержі 102 страницы машинописного текста, 40 рисунков и 2 таблицы на 40 страница Список литературы содержит 10 страниц машинописного текста и включает V. наименования. Общий объем работы составляет 152 страницы.