Введение к работе
Актуальность. На борту современных авиационных и космических летательных аппаратов (ЛА) используется большое число быстроходных автономных агрегатов с микротурбинными приводами, состоящими из входного устройства, микротурбины и выходного устройства.
В качестве рабочего тела микротурбинных приводов применяется обычно сжатый воздух, отбираемый от маршевого двигателя или поступающий от специальных баллонов. В ряде случаев используется набегающий воздушный поток.
Из всех типов микротурбинных приводов наиболее широко применяются осевые и центростремительные микротурбикные приводы (ЦСМ'П ^.Использование того или иного типа привода определяется в первую очередь особенностями конструкции агрегата, местом его расположения в изделии, а также, при массовом производстве, - технологичностью турбодвигателя. В ряде случаев преимущество отдается ЦСМТП.
Величина кпд ЦСМТП не превышает 50...55%. а иногда, в силу его многорежимного характера работы и комплекса конструктивных и технологических ограничений, снижается до 10...15%. В связи с этим и значения других параметров, характеризующих энергетическую эффективность ЦСМТП, невысоки.
Повышение же энергетической эффективности позволяет при заданной мощности снизить потребный расход рабочего тела. Это в свою очередь дает возможность уменьшить запасы рабочего тела на борту ЛА, если оно поступает от специального источника, или повысить эффективность маршевого двигателя и ЛА в целом, если используется рабочее тело основного двигателя или набегающий воздушный поток.
Поэтому проблема повышения энергетической эффективности ЦСМТП при условии их многорежимного функционирования является актуальной и соответствует современным требованиям, предъявляемым к турбоагрегатам ЛА и их двигателей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР по государственной научно-технической программе "Наукоемкие технологии", целевыми комплексными программами "Конверсия Самары", "Автоматизированные системы медико-биологического назначения"; межвузовской научно-технической программе "Развитие авиационного, космического, наземного и водного транспорта", инновационными программами "Трансфертные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении", "Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы".
..'Цель работы. Повышение энергетической эффективности центростремительных микрогурбшшых приводов при условии их многорежимного функционирования.
Основные задачи исследования. 1.Проведение анализа особенностей рабочего процесса многорежимных ЦСМТП и определение параметров, исследование влияния которых на характеристики турбоприводов позволяет прогнозировать повышение их энергетической эффективности. 2.Исследование и обобщение влияния основных конструктивных и режимных параметров на энергетическую эффективность малоразмерных центростремительных турбоприводов. З.Выявление конструктивных способов улучшения технологичности ЦСМТП. 4.Создание метода выбора параметров многорежимных ЦСМТП с учетом конструктивных ограничений и технологических требований.
5.Разработка методов расчета термогазодинамических параметров потока во входном и выходном устройствах и их согласования с параметрами центростремительной микротурбины.
б.Разработка метода и программных средств расчета и проектирования многорежимных
ЦСМТП.
7.Создание и совершенствование методов и средств, используемых при экспериментальном
исследовании малоразмерных турбоприводов и их элементов; экспериментальная проверка
разработанного метода расчета и проектирования ЦСМТП.
8.Апробация разработанного метода расчета и проектирования при создании
центростремительных турбоприводов для конкретных устройств.
Методы исследований. Использованные методы исследований базируются в основном
на теории и практике проектирования лопаточных машин двигателей летательных аппаратов;
расчетно-экспериментальных методах определения параметров потока и характеристик
ступеней микротурбин и их элементов, входных и выходных устройств ЦСМТП; модельном
эксперименте и теории его планирования; использовании средств измерительной и
вычислительной техники; натурном эксперименте с разработанными образцами
малоразмерных центростремительных турбоприводов. ».
Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании отраслевой научно-исследовательской лаборатории № 2 и научно-исследовательской лаборатории № 45 СГАУ, а также в натурных условиях Российского Федерального ядерного центра - ВНИИЭФ (г. Арзамас-16), АО СИТК им. Кузнецова Н.Д. (г.Самара), ВКБ РКК "Энергия" им. СП. Королева (г.Самара), АООТ "Самарское конструкторское бюро машиностроения", НПО "Неорганика" (г.Электросталь Московской обл.).
Расчеты по разработанным математическим моделям и обработка экспериментальных данных выполнялась с помощью программных средств, созданных в процессе работы.
Научная новизна. В диссертационной работе выявлены закономерности рабочего процесса ЦСМТП, на основании которых решена крупная научная проблема повышения их энергетической эффективности, имеющая важное значение для улучшения технико-экономических показателей аэрокосмической техники, а также технологического оборудования, стационарных установок и транспортных средств.
В процессе работы развиты теоретические основы рабочего процесса малоразмерных центростремительных турбоприводов, работающих в условиях многорежимности, и на этой базе созданы методы выбора параметров, расчета и проектирования исследуемых устройств с учетом конструктивных ограничений и технологических требований.
Сформулированы критериальные параметры оценки энергетической эффективности многорежимных ЦСМТП.
Создана математическая модель потока в типовых вариантах входных устройств ЦСМТП и на ее базе разработана методика расчета параметров потока во входном устройстве.
Развиты представления о вихревом течении газа в выходном устройстве ЦСМТП и на этой основе установлены условия совместной работы центростремительной микротурбины (ЦСМТ) и ее выходного устройства, предложены методики расчета противодавления на выходе из рабочего колеса (РК).
Получены новые экспериментальные данные по влиянию геометрических и режимных параметров на энергетическую эффективность многорежимных ЦСМТП и их элементов. Выполнено обобщение результатов экспериментальных исследований.
Создан метод выбора параметров, обеспечивающий наилучшие значения оценок энергетической эффективности многорежимных ЦСМТП.
Разработан метод проектирования ЦСМТП, включающий оптимизацию его основных геометрических и режимных параметров, а также обеспечивающий соблюдение конструктивных требований и технологических ограничений.
Разработаны алгоритмические и программные средства для автоматизированного выбора параметров и проектного расчета многорежимных ЦСМТП.
Предложена методика выбора экспериментального оборудования для исследования ЦСМТП, позволяющая в заданных границах проведения эксперимента добиваться наименьшей погрешности.
Практическая ценность. Разработанные методы и средства расчета и проектирования позволили создать турбодвигатели повышенной энергетической эффективности; снизить расход рабочего тела для привода турбоагрегатов двигателей ЛА.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать методики оценки энергетической эффективности многорежимных турбоприводов. При этом выявлены основные направления по совершенствованию ЦСМТП с целью повышения энергетической эффективности.
Предложены конструктивные способы улучшения технологичности турбоприводов на базе центростремительных микротурбин.
Созданные элементы центростремительных турбоприводов, программные средства расчета и проектирования могут быть использованы не только для совершенствования турбоагрегатов двигателей ЛА, но и для улучшения технико-экономических показателей турбоприводов, используемых, например, в энергетике, криогенной и медицинской технике, в автомобиле - и судостроении, в химической промышленности и других отраслях, применяющих быстроходные источники механической энергии вращательного действия.
Разработанное стендовое оборудование используется для проведения научных исследований, направленных на создание и доводку турбодвигателей на заданные технические параметры, а также в учебном процессе при изучении теории рабочего процесса лопаточных машин.
Реализация результатов работы. Метод расчета и проектирования турбоприводов использован:
в Российском Федеральном ядерном центре - ВНИИЭФ (г. Арзамас-16) при разработке турбодвигателей электрогенераторов и коммутирующих устройств ЛА специального на значения;
в АО СНТК им. Н.Д. Кузнецова при создании аппаратов спутной закрутки для охлаждения турбинных дисков и лопаток маршевого ГТД;
в ВКБ РКК "Энергия" при создании технологической турбогенераторной энергетической установки.
Созданные в СГАУ на основании разработанных методов выбора параметров и проектного расчета центростремительные турбодвигатели внедрены на предприятиях:
АО "Самарский судоремонтный завод", АО "Завод квтельно-вспомогательного оборудования и трубопроводов" (г. Самара), АО "Сокол" (г. Самара), АО "Новосибирский инструментальный завод" для привода ручных пневматических шлифовальных и полировочных машин;
НПО "Неорганика" (г. Электросталь Московской обл.) при создании установок для получения ультратонких полимерных волокон;
ТОО "Турбо-Денс" (г. Самара) при создании микромоторов и пневмомашин для зуботехнических работ и стоматологических наконечников, а также в ряде других организаций.
Разработанный метод проектирования турбоприводов, обобщенные результаты экспериментальных исследований и созданное стендовое оборудование используются при обучении студентов специальностей 130200,130300,130400.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: на VIII Всесоюзной научно-технической конференции "Современное состояние и перспективы развития кондиционирования воздуха на судах" (Николаев, 1985), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Основные направления повышения технического уровня и качества ручных машин" (Даугавпилс, 1985), на Всесоюзных конференциях по микроэнергетике (ВКМЭ) (Самара, 1986, 1989), на Всесоюзной межвузовской конференции "Газотурбинные и комбинированные установки" (Москва, 1987), на Отраслевом научно-техническом совещании "Технологичность конструкции и особенности технологии производства малоразмерных газотурбинных двигателей" (Омск, 1990), на II Всероссийской конференции "Проблемы динамики
пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов" (Самара, 1992), на Всероссийской научно-практической конференции "Гидропривод. Проблемы использования конверсионных разработок в машиностроении" (Самара, 1994), на Международной конференции "Проблемы и перспективы развития двигагелестроения в Поволжском регионе" (Самара, 1997), на Объединенной научно-технической конференции, посвященной памяти Генерального конструктора аэрокосмической техники Н.Д.Кузнецова (Самара, 1999).
Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались также на научных семинарах "Проблемы лопаточных машин" в МАИ-МГАИ (ТУ) (Москва, 1985, 1999), на научно-технических советах предприятий, внедривших материалы диссертации, на НТС кафедры "Теория двигателей летательных аппаратов" СГАУ. Образцы разработанных устройств неоднократно отмечались на отечественных выставках и ярмарках.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано: 30 статей, 15 тезисов докладов, 8 информационных листков, выпущено 23 научно-технических отчета. Материалы диссертации использованы в учебном пособии "Теория лопаточных машин авиационных газотурбинных двигателей" и трех учебных методических указаниях. Предложенные конструктивные решения защищены 12 авторскими свидетельствами и одним патентом Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 3-5V3 страницах машинописного текста, содержит 151 рис. Список использованных источников включает 162 наименования.
