Введение к работе
Актуальность темы. Авиационные поршневые двигателя (ПД) успешйо доминируют в малой авиации в классе мощности до 350 кВт В настоящее время стремительно развивается новое направление боевой авиации - беспилотные летательные аппараты (БПЛА), для которых требуются двигатели небольшой мощности Авиационные ПД могут быть конкурентоспособными с газотурбинными двигателями (ГТД) в классе мощности до 700 кВт для дозвуковых БПЛА, но для этого требуется значительно повысить параметры рабочего процесса по сравнению с существующими ПД Бензиновые двигатели достигли предела форсирования, дальнейший рост параметров ограничивают свойства бензина, не позволяющие повышать давление и температуру рабочего тела в конце сжатия Этого недостатка лишены дизельные двигатели
Создатели авиационных дизелей за счет высокого наддува достигли параметров, не уступающих бензиновым двигателям При этом пришлось решить проблему возрастающей теплонапряженности деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) Дальнейшее повышение мощности ограничивало заклинивание поршня в гильзе цилиндра
Оптимизация конструкции ЦПГ не имеет достаточной расчетной поддержки Имеющиеся универсальные программные комплексы на базе метода конечных элементов (МКЭ), требуют знания на поверхностях деталей граничных условий (ГУ) по теплообмену Для расчета мгновенного коэффициента теплоотдачи между рабочим телом и стенками камеры сгорания (КС) существует ряд а-формул Их непосредственное использование приводит к значительной погрешности при сравнении с экспериментальными данными и не позволяет с достаточной точностью прогнозировать тепловое состояние на более высоких параметрах, какими должен обладать перспективный авиационный ПД Это требует корректировки известных формул, а следовательно необходимо знание мгновенных значений давления, температуры и объема рабочего тела в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала (KB)
Анализ работ, выполненных- в исследуемой области, показал, что разработка расчетно-экспериментальной методики для исследования теплонапря-женности деталей ЦПГ представляется весьма актуальной при создании авиационного дизеля с высоким уровнем турбонаддува
Цель работы Разработка методики оценки теплонапряженности деталей поршневого авиационного двигателя, позволяющей рассчитать локальные коэффициенты теплоотдачи в цилиндре при существенном форсировании рабочего процесса, что необходимо для расчета распределения температуры в деталях и оптимизации конструкции по деформациям и механическим напряжениям.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи
Разработана расчетная программа, позволяющая обрабатывать экспериментальные индикаторные диаграммы с учетом неадиабатности рабочего процесса двигателя
Выполнены экспериментальные исследования теплового состояния деталей и процесса тепловыделения в цилиндре двигателя
Выполнена корректировка уравнения для расчета мгновенного коэффициента теплоотдачи, позволившая добиться адекватного совпадения расчетных и экспериментальных данных по тепловому состоянию деталей и тепловому балансу двигателя.
Проведено моделирование процессов теплообмена в цилиндре двигателя
Выполнена оценка теплового состояния деталей ЦПГ на режимах пока, еще экспериментально не достигнутых.
Основные положения, выносимые на защиту:
впервые разработана расчетная программа для обработки экспериментальных индикаторных диаграмм с учетом неадиабатности рабочего процесса,
проведено экспериментальное исследование теплового состояния деталей и параметров тепловыделения в дизеле на высоких частотах вращения KB п=3700 мин'1,
осуществлена корректировка известной а-формулы для конкретного типа двигателя, позволившая повысить точность оценки теплового состояния деталей на 5 %,
выполнено прогнозное расчетное моделирование теплонапряженности деталей ЦІЙ на режимах, значительно превышающих экспериментально достигнутые
Общая методика исследований. Поставленные задачи решались численно с использованием современных методов расчета на базе MK3J и экспериментальными исследованиями, выполненными на стандартных испытательных стендах с применением современных приборов и оборудования
Научная новизна. Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки теплового состояния деталей при создании нового поколения высокофорсированных поршневых двигателей, заключающаяся в расчетном моделировании локальных коэффициентов теплоотдачи в цилиндре двигателя с помощью уравнения, скорректированного для конкретного типа двигателя по результатам индицирования рабочего процесса
Практическая ценность. Методика позволяет определить локальные ГУ по теплообмену в КС поршневого двигателя на режимах испытаний, а также прогнозировать ГУ на режимах двигателя, еще не достигнутых экспериментально, для последующей оптимизации конструкции
Реализация результатов работы. Методика расчетно-экспериментальных исследований теплонапряженности поршневого двигателя прошла проверку при создании высокофорсированных дизелей в ОАО «НПО «Сатурн»1
опытного авиационного двухтактного дизельного двигателя ДН200 мощностью 147 кВт,
при форсировании транспортного четырехтактного дизеля Д65 с 48 до 77 кВт.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались
в Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьева на кафедре «Общая и техническая физика»,
в Ярославском государственном техническом университете на кафедре «Двигатели? внутреннего сгорания»;
- на всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика
технологических процессов», Рыбинск, 2005 г,
на международной конференции «Образование через науку», Москва, МГТУ им Н Э Баумана, 2005 г,
на третьей научно- практической конференция «Исследование и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва, «ОКБ Сухого», 2005 г. Диплом за лучший доклад на секции двигателей,
на четвертой российской национальной конференции по теплообмену, Москва, МЭИ, 2006 г.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 4 печатные работы, 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК «Инженерный журнал Справочник», получено 2 патента РФ на изобретения (без соавторов)
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 98 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 31 таблицы, 115 наименований литературы
