Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изучаемого вопроса. Обоснование целесообразности создания пульсирующих реактивных двигателей повышенной эффективности 12
1.1. Состояние изучаемого вопроса, обзор публикаций 12
1.2. Анализ технических характеристик ВРД в развитии. Их современное состояние и обоснование целесообразности применения пульсирующего рабочего процесса в реактивных
Глава 2. Термодинамические особенности цикла с подводом тепла при V=const. Уточнение возможностей эффективной реализации его преимуществ 44
2.1. Анализ термодинамических особенностей цикла с подводом тепла при V=const 44
2.2. Циклы V=const с охлаждением при сжатии и регенерацией тепла. Получение формул КПД этих циклов, их анализ 48
2.3. Удельная работа цикла с подводом тепла при V=const, сравнительный анализ с циклом P=const 54
Глава 3. Золотниковая камера сгорания со сгоранием топлива при V=const. Конструктивные решения и расчетно-теоретическое исследование 57
3.1. Возможные варианты конструктивных схем камер сгорания V=const 57
3.2. Камера сгорания V=const с газораспределительным устройством золотникового типа, рабочий процесс в ней и конструктивная реализация 59
3.3. Уплотнение между золотником и корпусом, как ответственный элемент конструкции камеры сгорания V=const. Расчеты и конструктивная разработка Физико-математическая модель рабочих процессов в камере сгорания и её теплового состояния. Результаты исследований 63
3.4. Расчетно-теоретическое обоснование способа создания вращающего момента на золотнике камеры сгорания 70
3.5. Применение перспективных углерод-углеродных материалов в камере сгорания для повышения тяговой эффективности двигателя 93
Глава 4. Повышение тяговой эффективности ПуВРД при использовании камеры сгорания V=const и совершенствовании процесса расширения 113
4.1. Тяговые характеристики ВРД, пути их повышения применительно к ПуВРД ИЗ
4.2. Тяговые характеристики ПуВРД, выполняемого на базе камеры сгорания V=const. Оптимальные скорости полета 118
4.3. Расчетное исследование возможности полного расширения нестационарной газовой струи в сопле с центральным телом 125
4.3.1. Расчетное исследование возможности полного расширения при условии квазистационарного истечения 125
4.3.2. Исследование возможности полного расширения нестационарного течения численными методами, профилирование сопла 128
4.4. Повышение тяговой эффективности ПуВРД за счет присоединения дополнительной массы 146
4.4.1. Расчетное исследование ПуВРД с эжекторными каналами в качестве атмосферного усилителя тяги и напорного 146
4.4.2. Исследование возможности присоединения дополнительной массы без эжекторного канала 164
4.5. Детонационное сгорание как перспективное средство повышения тяговой эффективности ПуВРД 166
4.6. Повышение эффективности приводного ГТД V=const за счет применения расширительной машины объемного типа в качестве турбины высокого давления 168
Глава 5. Экспериментальные исследования камеры сгорания V=const и эжекторных усилителей тяги 179
5.1. Экспериментальный стенд для исследований золотниковой камеры сгорания V=const 179
5.1.1. Экспериментальный стенд 179
5.1.2. Цели и результаты исследований 193
5.2. Экспериментальные исследования эжекторных усилителей тяги. Цели и результаты исследований 205
Глава 6. Концептуальная и расчетно-конструкторская проработка энергодвигательных установок, выполняемых на базе камеры сго рания V=const и полученных результатов исследований 221
6.1. Схемно-концептуальная проработка реактивных двигателей с использованием полученных результатов исследований 221
6.2. Расчетно-конструкторская проработка ПуВРД для летательных аппаратов различного назначения ^'
6.3. Турбовальные ГТД V=const с объемной расширительной машиной в 244
каскаде высокого давления z^4
6.4. Малогабаритные ГТД, использование эффекта самовращения золотника камеры сгорания 261
6.4.1. Возможные варианты малогабаритных ГТД. Оценка эффективности применения камеры сгорания V=const 261
6.4.2. Турбостартер для запуска дизелей в условиях Севера 268
6.5. МГД-генератор и газодинамический лазер 278
Выводы 282
Литература
- Анализ технических характеристик ВРД в развитии. Их современное состояние и обоснование целесообразности применения пульсирующего рабочего процесса в реактивных
- Удельная работа цикла с подводом тепла при V=const, сравнительный анализ с циклом P=const
- Уплотнение между золотником и корпусом, как ответственный элемент конструкции камеры сгорания V=const. Расчеты и конструктивная разработка Физико-математическая модель рабочих процессов в камере сгорания и её теплового состояния. Результаты исследований
- Тяговые характеристики ПуВРД, выполняемого на базе камеры сгорания V=const. Оптимальные скорости полета
Введение к работе
Известно, что при равных степенях предварительного повышения давления воздуха пк термодинамический цикл ВРД V=const обладает большим термическим КПД чем цикл P=const. Преимущества цикла V=const пытались реализовать в ГТУ в начале века ряд ученых: В. В. Караводин, Г. Хольцварт. В Германии производился ПуВРД П. Шмидта, в СССР - ПуВРД В. Н. Челомея. При создании двигателей проявились их следующие основные недостатки:
- неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики из-за прерывистого течения газа и низкая надежность из-за сложной системы клапанов (определялись, в основном, камерой сгорания);
- низкий КПД процесса расширения в сопле или турбине из-за пульсирующего течения газа.
Эти недостатки, определившие научно-техническую проблему и не позволившие реализовать преимущества цикла V=const - с одной стороны и успехи в создании ВРД P=const (рост тск, Тг и КПД узлов) - с другой стороны привели к тому, что в настоящее время ВРД V=const серийно не производятся. Вместе с тем, замедление прогресса в характеристиках традиционных ГТД P=const, рост их стоимости, возникшая необходимость в силовых установках нового назначения: разгонных двигателях для воздушно-космических самолетов, дешевых двигателях для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) вызвали вновь интерес к циклу V=const. Проводятся также исследования и по созданию и пульсирующих ЖРД, в которых отпадает необходимость в конструктивно сложном турбонасосном агрегате. Решению проблем реактивных двигателей V=const способствуют возросшие возможности математического моделирования сложных пульсирующих рабочих процессов на современных ЭВМ, накопленный научно-технический задел. В последнее время возросло количество публикаций, изобретений по этой теме.
Проблемы реактивных двигателей V=const в основном пытаются
решать оптимизацией известных конструктивных схем, однако этот
подход пока не позволяет в полной мере реализовать преимущества цикла V=const. В данной работе делается попытка решить научно-техническую проблему улучшения габаритно-массовых и тяговых характеристик ПуВРД за счет комплексного применения новых конструктивных решений -высокочастотной золотниковой камеры сгорания совместно с расширительными устройствами, признанными изобретениями и совершенствования рабочих процессов. Предложенные комплексные решения проблемы могут повысить эффективность энергодвигательных установок V=const и поэтому проведенное исследование следует считать актуальным.
Целью данного исследования является решение названной выше научно-технической проблемы за счет применения новых конструктивных решений в комплексе по камере сгорания с расширительными устройствами и совершенствования рабочих процессов.
Для достижения цели в работе решались следующие основные задачи:
Уточнение возможностей эффективной реализации термодинамических преимуществ цикла с подводом тепла при V=const.
Разработка и исследование высокочастотной камеры сгорания V=const (КС V=const) с самовращающимся золотником простой конструкции и высокой пропускной способностью на экспериментальной установке и с помощью физико-математической модели.
Проведение исследований в обеспечение повышения КПД процесса расширения за счет использования новых конструктивных решений и тягового КПД при совершенствовании процесса присоединения дополнительной массы (уменьшение потерь при взаимодействии масс при оптимальных параметрах рабочих пульсаций).
Схемно-концептуальная и конструктивная проработка, расчетное исследование двигателей, выполняемых на базе золотниковой камеры сгорания V=const и полученных результатах исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведенный анализ цикла V=const с охлаждением воздуха при
сжатии и регенерацией тепла при использовании предлагаемых конструктивных решений показал принципиальную возможность достижения эффективного КПД г|е= 0,6 при достигнутых КПД узлов.
2. Создана золотниковая КС V=const нового типа (физико-
математическая модель рабочих процессов и теплового состояния,
экспериментальная установка).
Исследования, проведенные на физико-математической модели КС V=const и экспериментальной установке с учетом разработанных мероприятий по совершенствованию рабочих процессов, показали высокий уровень характеристик камеры:
запуск камеры при перепаде давлений на ней, ЛР=0,001Мпа;
частота рабочих пульсаций может достигать 200Гц;
возможность работы при температуре сгорания Tz=2900K;
достаточная эффективность лабиринтных уплотнений между золотником и корпусом;
самовоспламенение топливовоздушной смеси на основных рабочих режимах.
Расчетными исследованиями с использованием численных методов впервые установлена возможность полного расширения высоконапорной нестационарной газовой струи в сопле с центральным телом с уровнем потерь тяги на нерасчетность режима работы сопла - 6%.
При расчетных и экспериментальных исследованиях взаимодействия высокочастотного ПуРД с окружающей средой получены новые данные:
при пульсирующем истечении газа из сопла ПуРД без эжекторного канала имеет место присоединение дополнительной массы, значительно повышающее тягу двигателя;
в отдельных случаях (высокая частота и малая скважность рабочих пульсаций) возможно использование части отработанной выхлопной струи газа в качестве присоединенной массы;
при использовании эжекторного усилителя тяги получен высокий
прирост тяги с коэффициентом усиления, равном 2,6 при коэффициенте
эжекции, равном 6,8.
5. Проведенная схемно-концептуальная и конструктивная проработка двигателей, выполняемых на базе новых конструктивных решений -золотниковой камеры сгорания в комплексе с расширительными устройствами, показала возможность повышения экономичности в ГТД V=const по сравнению с ГТД P=const на 25...40 % (в зависимости от значения 7ск) и качественного упрощения конструкции двигателей для БЛА по сравнению с ТРД при тех же габаритах и экономичности.
Рассмотренные энергодвигательные установки с предлагаемыми решениями проблем цикла V=const и эффективной реализацией его преимуществ могут в ряде случаев стать альтернативой установкам P=const.
Результаты работы использованы при создании в ОАО«НПО«Сатурн» (г. Рыбинск) экспериментального образца ПуВРД и при создании выносной камеры сгорания перспективного многотопливного ДВС, разрабатываемого в ОАО «АДС» (г. Заволжье).
Основные положения диссертации обсуждались на заседании кафедры 202 МАИ, на семинарах в МГТУ им. Баумана, в ВАТУ, в НПО Машиностроения; на НТС в ЦИАМ; на 20-ом Международном конгрессе по естественным наукам в области аэронавтики, Италия, 1996 г.; на XI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», г. Москва, 2000 г.; на II и III Международных совещаниях по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе, Москва, 2000 - 2002 г.г.; на Всероссийской научно-технической конференции, г. Рыбинск, 2002 г.; на Международной научной конференции «Двигатели XXI века», г. Москва, 2002 г.; на IV Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях, г. Санкт-Петербург, 2002 г.; на Международной научно-технической конференции, посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова, Самара, 2001 - 2003
г.г.; на научных чтениях по авиации, посвященных памяти Н. Е. Жуковского, г. Москва, 2003 г. на Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Современные проблемы аэрокосмической науки», г. Жуковский, 2002 г.
Достоверность результатов работы обеспечена: удовлетворительным соответствием результатов численных расчетов экспериментальным данным; использованием широко апробированных современных математических моделей нестационарных течений.
Основные результаты исследования изложены в 36 печатных работах, получено 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Содержит 298 страниц основного текста, 117. рисунков, 1 фотографию, 9 страниц со списком литературы, включающего 98 наименований.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты расчетно-теоретического исследования по уточнению возможностей эффективной реализации термодинамических преимуществ циклов ВРД с подводом тепла при V=const.
Создание золотниковой камеры сгорания постоянного объема повышенной эффективности (физико-математическая модель рабочих процессов и теплового состояния, экспериментальная установка, результаты исследований).
Результаты расчетных исследований в обеспечение повышения КПД процесса нестационарного расширения при использовании новых конструктивных решений (сопло, проточная часть которого образована центральным телом и подвижной кромкой окна золотника; объемная расширительная машина в качестве турбины высокого давления).
Результаты расчетных и экспериментальных исследований в обеспечение повышения тягового КПД при совершенствовании процесса присоединения дополнительной массы к нестационарной реактивной струе (уменьшение потерь при их взаимодействии).
Анализ технических характеристик ВРД в развитии. Их современное состояние и обоснование целесообразности применения пульсирующего рабочего процесса в реактивных
Дадим оценку современного состояния ВРД (P=const), их совершенства и возможных перспектив с учетом истории их развития.
Согласно [40] совершенство двигателей можно оценивать с помощью различных критериев, следовательно, они могут иметь различные оптимальные значения параметров, что, в свою очередь, может обусловить различные методы их проектирования. Например, авиационные ГТД в настоящее время превосходят двигатели других типов по массогабаритным параметрам, что связано в основном с повышенной температурой газа перед турбиной. Однако, по таким показателям, как общий ресурс, стоимость, потребление дефицитного и дорогого топлива, стоимость эксплуатации и обслуживания, авиационные ГТД находятся на более низком уровне, чем стационарные установки. Проектирование совершенного ГТД требует разработки определенного критерия эффективности (КЭ); экстремальное значение которого будет соот зо ветствовать максимальному качеству теплового двигателя для конкретной области применения.
Известно большое число параметров, которые позволяют сравнивать положительные и отрицательные свойства двигателей и способствуют обоснованному выбору наиболее подходящего по техническим требованиям двигателя. Однако, до сих пор отсутствует КЭ или обобщенная система таких критериев, которые позволяли бы однозначно оценивать качество сравниваемых установок.
Анализ современных условий, сложившихся в промышленности и в экономике, позволяет сформулировать следующие четыре КЭ: технический, экономический, коммерческий и гуманистический [40].
Для авиационных двигателей определяющим будет технический КЭ, тем более что к нему можно отнести и стоимость [40].
Известно [75], что каждая технология развивается по, так называемой S-образной кривой зависимости между затратами (временем) и результатами (критерием эффективности). Критерий эффективности для авиационных двигателей может определять удельная масса, экономичность, стоимость. В соответствии с этой кривой эффективность растет вначале медленно, затем набирает темп, ускоряется, но потом неизбежно сходит на нет, технология приходит в упадок. Необходимо знать о технологическом пределе и вовремя перейти к новой технологии. При этом время перехода от одной технологии к качественно другой называется технологическим разрывом.
На рис. 1.8 показано предложенное автором развитие авиационных двигателей в известных S-образных кривых. Первая S-образная кривая отражает развитие поршневых двигателей. Перед второй мировой войной кривая начинает «выполаживаться», прогресс в поршневой технике замедляется. В это время ученые уже доказывают невозможность увеличения скорости полета самолета с поршневыми двигателями свыше 800 км/час. Становится ясным, что дальнейшее продвижение по скорости полета самолетам могут обеспечить реактивные двигатели. Появляются экспериментальные, опытные образцы самолетов с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями (ПуВРД), турбореактивными (ТРД) и ракетными двигателями (РД). При этом скорость полета резко увеличивается.
Так как самолеты летают в атмосфере, лучшей тяговой эффективностью по сравнению с РД обладают воздушно-реактивные - ПуВРД и ТРД. При этом на дозвуковых скоростях лучшую экономичность имеют ТРД. Первое поколение реактивных самолетов МИГ-15, ИЛ-28 имели дозвуковую скорость и это определило прогресс в ТРД: повышение давления за компрессором, температуры газов, КПД узлов. В итоге росла и их экономичность.
Кроме того, ПуВРД из-за прерывности рабочего процесса имели худшие габаритно-массовые характеристики, большие вибрационные нагрузки. Из-за сложности рабочего процесса была затруднена оптимизация его параметров, теория нестационарных рабочих процессов только осваивалась. Из-за дешевизны они нашли применение, в основном, на беспилотных летательных аппаратах (V-1, Германия).
Переход на реактивную технику начинался во время второй мировой войны, которая явилась мощным стимулятором развития военной авиации.
В результате технологический разрыв был очень мал, параллельно с реактивными были созданы совершенные уникальные поршневые двигатели, такие как ВД-4К мощностью более 4000 л. с. с экономичностью, близкой к дизельной, которые, однако, не нашли применения. Причем созданный при этом научно-технический задел оказалось экономически нецелесообразно применять в поршневых двигателях мощностью менее 1000 л.с., которые используются в авиации в настоящее время и по характеристикам мало отличаются от двигателей, созданных в 30-х годах.
Развитие турбореактивных двигателей шло высокими темпами где-то до середины 80-х годов. Затем по аналогии с развитием поршневых двигателей наблюдается явное замедление прогресса (рис. 1.8), затягивается создание реактивного двигателя V поколения.
Удельная работа цикла с подводом тепла при V=const, сравнительный анализ с циклом P=const
Процесс периодического сгорания может быть организован в следующих типах камер сгорания: двухклапанный; одноклапанный; бесклапанный (с повышенным гидросопротивлением на впуске). Описание этих камер приведено в главе 1.
В двухклапанной камере (опытный ГТД Харьковского КБД им. Малышева [69]) могут наиболее полно реализовываться преимущества цикла V=const, т.к. сгорание происходит в действительно постоянном объеме. В одноклапанной камере (ГТУ Караводина, ПуВРД V-1) из-за увеличения удельного объема в процессе горения давление Pz будет ниже, чем в двухклапанной, что соответствует меньшему располагаемому теплоперепаду, например в турбине, и меньшему к.п.д. идеального цикла, однако меньшее колебание лт и отсутствие перерыва в истечении газа через сопловой аппарат увеличивает КПД и пропускную способность турбины. Поэтому различие мощности и экономичности действительного двигателя не столь велико, как различие соответствующих параметров идеального цикла. В бесклапанных камерах сгорания (ПуВРД " Эникс ", г. Казань) увеличенное гидравлическое сопротивление на впуске заменяет до некоторой степени впускной клапан. Такие камеры обеспечивают двигателю (ПуВРД) наибольшую надежность, простоту и вместе с тем наименьшую экономичность среди рассматриваемых камер сгорания.
Периодическое сгорание в бесклапанных и одноклапанных камерах сгорания при отсутствии компрессора обычно организуется с помощью автоколебательного процесса (акустических волн) в массе газа заполняющего камеру и прилегающий к ней объем. Двигатели с такими камерами иногда называют волновыми. Впускной клапан здесь выполняется автоматическим, обычно это пружинящие пластины.
Повышение отношения площадей проходных сечений клапанов к объему камеры, наличие мощного источника воспламенения смеси позволяют сократить время на газообмен и сгорание, тем самым увеличить частоту пульсаций, что в свою очередь уменьшает отрицательное влияние прерывистого течения газа на габаритно-массовые характеристики двигателя V=const. При разработке перспективной золотниковой камеры сгорания V=const была поставлена задача создать высокочастотную камеру с термодинамическими характеристиками двухклапанной, обеспечивающей в полной мере реализацию преимуществ цикла V=const и с мощным воспламенителем. Такая задача была решена в рациональной конструкции с простым газораспределительным механизмом золотникового типа, имеющей максимально возможное отношение площади окон к объему камеры и дежурный факел пламени, что должно обеспечить рассматриваемой золотниковой камере лучшие габаритно-массовые характеристики, чем клапанной. Одновременно в комплексе с разработкой камеры сгорания V=const решалась проблема снижения потерь при расширении в реактивном сопле и приводной расширительной машине.
В основу энергодвигательных систем, рассматриваемых в данной работе, заложена золотниковая камера сгорания V=const, конструкция которой защищена двумя авторскими свидетельствами [4,5] и патентом [29].
Камера сгорания может быть выполнена в двух основных вариантах (рис. 3.1) с одним рабочим объемом и тремя, возможно исполнение камеры и с другим количеством рабочих полостей.
Камера сгорания состоит из корпуса 1 с входом 2 и выходом 3. В корпусе 1 установлен вращающийся золотник 4 с полостями 5, окнами 6 , разделенными перегородкой 7 для организации продувки. В корпусе также смонтированы распылитель горючего 8, воспламенитель 9 и. выполнен пламеперебрасывающий канал-ресивер 10 с входом 11 и выходом 12 .
Работает камера сгорания следующим образом. При запуске двигателя полость золотника заполнена воздухом . Когда окно 6 золотника перекрывается корпусом и совмещается с распылителем горючего 8 , в полость 5 подается горючее и смешивается с воздухом. Топливовоздушная смесь зажигается воспламенителем 9 и сгорает при постоянном объеме с повышением давления. Когда при дальнейшем повороте окно 6 золотника совмещается с выходом 12 пламеперебрасывающего канала-ресивера, последний заполняется горячими газами.
В камере с тремя полостями газы через канал-ресивер 10 поступают в соседнюю полость и воспламеняют там свежую топливовоздушную смесь. В камере с одной полостью газы в канале-ресивере перекрываются золотником и сохраняются до следующего цикла. При совмещении окна 6 золотника с выходом 3 газы поступают или в реактивное сопло, или в расширительную машину для совершения работы.
Уплотнение между золотником и корпусом, как ответственный элемент конструкции камеры сгорания V=const. Расчеты и конструктивная разработка Физико-математическая модель рабочих процессов в камере сгорания и её теплового состояния. Результаты исследований
Выбор типа уплотнения является важным моментом в создании камеры сгорания V=const с вращающимся золотником. Как показала экспериментальная отработка первого варианта камеры сгорания [19] контактные уплотнения, обеспечивающие высокую герметичность, являются в настоящее время для данной конструкции недостаточно надежными, усложняют ее, требуют решения проблем смазки, износа и, как следствие, длительных доводочных работ. Поэтому предпочтительным является лабиринтное уплотнение, освоенное в конструкциях ГТД. И здесь главной задачей является сохранение потерь давления в камере, вызванных утечками на приемлемом уровне (3...5%). Такой уровень потерь имеет КС P=const традиционных ГТД.
Радикально могло бы решить проблему утечек применение неметаллических жаропрочных материалов, которые, как правило, имеют очень низкие коэффициенты теплового расширения От. У керамических материалов (ат 3 10"6 1/ К). Кроме того, эти материалы имеют, как правило, невысокий коэффициент трения, что облегчает совместную приработку. Это позволило бы создать практически беззазорную конструкцию.
Очевидно, что падение давления в камере сгорания за рабочий цикл будет тем меньше, чем: - выше скорость вращения золотника; - больше объем камеры сгорания; - меньше рабочий зазор в уплотнении и больше гребешков. На рис.5.7 показано лабиринтное уплотнение 1, выполненное на золотнике с прямыми гребешками, которые являются традиционным для гтд.
Известно, что расчет подобных уплотнений для стационарного течения ведется по различным формулам в зависимости от характера течения в последнем зазоре гребешков. При больших перепадах давлений на лабиринте в его последнем зазоре может быть течение газа с критической скоростью, в этом случае величина утечки рассчитывается по формуле из [84]. Gym=nf P!((Z +1,14)5), где Gyr - расход газа (утечка) в кг/сек; п=0,7...1,3 - поправочный коэффициент, зависящий от совершенства лабиринтного уплотнения; f - площадь сечения одного зазора в м2; Р - давление газа в камере сгорания в Н/м ; 3 - удельный объем газа перед уплотнением в м /кг; zym число гребешков;
Для расчета лабиринтного уплотнения рассматриваемой камеры сгорания принимаем допущение, что течение газа в зазоре является квазистационарным и используем именно эту формулу, так как давление газа может достичь десятки ДаН/см , а число гребешков уплотнения из конструктивных соображений для данной камеры может быть ограничено 7...10. Этот вариант расчета определяет максимально возможный расход газа через уплотнение. При докритическом течении в последнем зазоре расчетное завышение утечки пойдет в запас. Так как важнейшим параметром камеры сгорания V=const является развиваемое в ней при сгорании давление газов, выведем формулу расчета потери давления в камере и определим влияние утечек на этот параметр в зависимости от ее размерности (закон "куба-квадрата").
Учитывая малое время (t=0,001...0,002 сек) нахождения газа в рассматриваемой камере, высокую допустимую температуру стенки (tCT=800C) и возможность создания защитных экранов и термобарьерных покрытий, принимаем термодинамические процессы в камере сгорания как адиабатические, тогда: Р - давление в камере без учета утечек в н/м ; V - объем камеры сгорания в м ; Р-Р-АР - действительное давление в камере с учетом утечек; V-V+AV - объем газа при давлении Р , включая вытекший объем газа AV. V= МутЭ, где Муг - масса вытекшего газа в кг $ - удельный объем вытекшего газа при давлении камере в м /кг. Подставляя в уравнение адиабаты выражение Р и V , получим: Р-АР V + AMym.& После преобразований получим: Р г \к V+AMym-&; ,где - АР/Р обозначим бкс - коэффициент сохранения давления (по аналогии с бкс газотурбинных двигателей), M Gyr t - масса вытекшего газа за время t. После подстановки в уравнение выражения Gyr получим: ( V 7„„ = + 1 /(( +1.14)5)-/ т.к. P$=RT, то после преобразований получим: ( „ V О"..,. = ч V + nf RTI{Zm +1.14)-/
Так как при сгорании топлива температура газов Т в камере изменяется во времени t, то уточним формулу бкс, следующим образом: \ к акс = (3.1) V + nfjR](Z nl4)l0yfTdt По данной формуле выполнены расчеты и построен график зависимости бкс от VKC (рис. 3.2) при следующих условиях и допущениях: - расчет ведется только для временного интервала от момента закрытия камеры до момента ее открытия (O...t0); - закон изменения, Т определен по математической модели для V=310 см3 и распространяется на весь принятый диапазон изменения V, - диапазон изменения V от 50 до 1400см3, при этом сохраняется геометрическое подобие характерных линейных размеров; - частота вращения золотника - 12000 об/мин (200 Гц), определяется предельной частотой впрыска топлива для двух форсунок (одна форсунка -100 Гц), достигнутой топливной аппаратурой, созданной Санкт-Петербургским ЦНИТА для экспериментальной установки и результатами математического моделирования; - величина зазора задана, как 0,1% от диаметра золотника (0,1 мм при диаметре 100 мм), и может быть обеспечена, как показывает конструкторский опыт, при выполнении корпуса из традиционных металлических материалов, данное условие справедливо при выполнении золотника с двойными стенками (рис.5.7). - п = 1,2 по рекомендации [84];
Тяговые характеристики ПуВРД, выполняемого на базе камеры сгорания V=const. Оптимальные скорости полета
Рассматриваемая золотниковая камера сгорания (КС) позволяет в полной мере реализовать термодинамические преимущества цикла V=const, т.к. сгорание топливно-воздушной смеси происходит в постоянном объеме. У известных ПуВРД имеется только впускной клапан (V-1) или вообще его нет, как у ПуВРД Казанского НИЦ "ЭНИКС". Это позволяет повысить надежность и ресурс двигателя, но ухудшает экономичность, в стендовых условиях (НО, М=0) у V-1 Суд = 3 кг/(даН ч), у ПуВРД "ЭНИКС" Суд 3 кг/(даН ч). У ПуВРД, выполняемого на базе рассматриваемой КС V=const, по расчетной оценке(Т2=2000 К), Суд может снизиться до 2 кг/даН ч. В ПуВРД тяговая эффективность определяется в основном температурой сгорания Tz и частотой рабочих пульсаций. Оценим влияние Tz на удельную тягу Яуд, удельный расход топлива Суд, тяговый гт и удельную лобовую тягу Ядоб ПуВРД с однополостной сферической камерой сгорания и дежурным факелом пламени.
Расчет Куд для различных Tz выполнен по формуле (4.8) из [57] при следующих условиях: - коэффициент тяги сопла Rc =0,95; - расчет сгорания выполнен для диапазона Tz =600...2700 К (qT=0. 005.. .0.067); - топливо - керосин; - Н = 0, М = 0. Расчет Суд выполнен по известной формуле: Суд=3600ят/Яуд (4.6)
Анализ построенных зависимостей Яуд и Суд от Tz (рис.4.1) показывает, что удельная тяга растет практически прямо пропорционально Tz , а не JFZ (как по формуле), так как благодаря подводу тепла при 119 V=const, пропорционально Tz растет и nz. Удельный расход топлива имеет минимальное значение при TZ=900K (Суд= 1.54 кг/даН час) и с ростом температуры также растет, при TZ=2700K (а- 1.0) Суд=2,7 кг/ДаН час.
В полете с ростом скорости потери кинетической энергии газовой струи падают и оптимальное значение Tz становится большим. Так для Мп = 0,8 минимальное значение СУд (рис.4.1) будет уже при Tz= 2400 К.
Для некоторых летательных аппаратов, например, беспилотных (БПЛА), с умеренными дозвуковыми скоростями полета (Мп 0,6) может оказаться оптимальным ПуВРД с Tz = 1800К (а = 2.0) и Суд = 2,0 кг/ДаН-час. При этом проблема сгорания топлива решается организацией в зоне выхода факела из пламеперебрасывающего канала-ресивера впрыска топлива (рис.4.3) с оптимальным для воспламенения местным значением 0.7 а 1.7 [39] по аналогии с зоной обратных токов в камере сгорания обычного ГТД.
Вместе с тем, можно сделать вывод, что для полной реализации потенциальных возможностей ПуВРД (Tz 2500К, Яуд 80 ДаН с/кг) целесообразно применять его на больших сверхзвуковых скоростях, где необходимы высокие уровни этих параметров, или в составе эжекторного усилителя тяги на дозвуковых скоростях, учетом использования открытия №314 [33], позволяющего с высоким КПД передавать энергию от активной струи к присоединяемой массе воздуха.
Зависимость тягового КПД Гт от Tz (Куд) определена по формуле из [79]: Tb=-V, (4-7) 1 + Ь. V где скорость истечения из сопла Сс (цикл P=const) заменена средней по импульсу скоростью пульсирующего истечения Wj Луд.
На рис. 4.1 приведены зависимости r\T =f(Tz) для скорости полета V„ = 200 м/с (М=0.6) и Vn = 300 м/с (М=0.9), из анализа которых можно сделать вывод, что при максимальных Tz 2500 К повышение г\т (.. 0.5) 120 возможно при переходе на сверхзвуковые скорости полета. На рис. 4.2 приведена зависимость лт от Мп для а=1,3, подтверждающая, что оптимальным для ПуВРД являются Мп 2.
На рис.4.1 также приведена зависимость лобовой удельной тяги R-лоб = R / РЛОб = f(R) для выбранной частоты пульсаций f=100 Гц и Tz= 2400 К. Данная зависимость может быть универсальной, так как при изменении основных параметров ПуВРД (f, Tz, R) Клоб в первом приближении может быть пересчитана следующим образом: - при изменении частоты R и Rn0Q изменяются прямо пропорционально f (при допущении постоянства параметров воздушного заряда в камере перед сгоранием); - при изменении Tz определяется по зависимости Куд =f(Tz) новое значение Ryд прямо пропорционально которому изменяется R ; - при изменении размерности двигателя, его тяги, при f=const, Tz=const зависимость Клов = f(R) будет определяться следующим образом: так как тяга пропорциональна расходу воздуха (объему камеры) R d , а Кло6 й2, где d - диаметр ПуВРД, то R„06 d3 / d2 d, или RTO6 3/Я. поддерживаться постоянной, при дальнейшем увеличении d частота вращения п золотника должна уменьшаться, т.е. U0Kp = (ти-d-n ) / 60 = const. При этом величина тяги пропорциональна d и п, т. е. R d -п, тогда Rflo6 (d n) / d = d -n= const.
Таким образом, при U0Kp =const при изменении размерности двигателя удельная лобовая тяга будет оставаться постоянной.
С увеличением размерности может быть достигнута предельная (по прочности) окружная скорость для золотника (глава 3), тогда U0Kp скорость не достигла выбранного [гл. 3] предельного значения U0Kp = 200 м/с.
Похожие диссертации на Повышение эффективности пульсирующих реактивных двигателей
