Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор публикаций. Постановка задачи исследования .. 16
1.1 Обзор публикаций 16
1.2 Постановка задачи исследования 38
2 Объект исследования. Результаты экспериментов 40
2.1 Золотниковая камера сгорания при постоянном объеме 40
2.2 Экспериментальная камера сгорания при постоянном объеме в-составе стенда 42
2.3 Экспериментальное исследование камеры сгорания ... 48
2.4 Исследование вращающего момента на золотнике 56
2.5 Выводы по разделу 59
3 Математическая модель рабочих процессов, протекающих в золотниковой камере сгорания постоянного объема 60
3.1 Допущения, начальные условия 60
3.2 Анализ термодинамических процессов, протекающих в золотниковой камере сгорания 67
3.3 Анализ теплового состояния, тепловой баланс золотниковой камеры сгорания 80
3.4 Описание алгоритма расчета рабочих процессов в золотниковой камере сгорания при постоянном объеме 88
3.5 Адекватность расчетов выполненных на математической модели золотниковой камеры сгорания экспериментальным данным 94
3.5.1 Оценка достоверности математической модели при определении теплового состояния стенки золотниковой камеры сгорания 94
3.5.2 Сопоставление расчетов, выполненных на математической модели с экспериментальными данными, при протекании процесса газообмена в камере 100
3.6 Выводы по разделу 104
4 Проведение исследований рабочего процесса золотниковой камеры сгорания на математической модели при заданных условиях . 105
4.1 Цель исследований, выбор основных критериев 105
4.2 Влияние размерности камеры сгорания на параметры рабочего процесса 107
4.3 Влияние термодинамических параметров на характеристики рабочих процессов протекающих в золотниковой камере сгорания. 120
4.3.1 Влияние состава воздуха на входе в камеру. 120
4.3.2 Зависимость характеристик КС от частоты вращения золотника. 125
4.3.3 Влияние перепада давления на входе и выходе КС V=const 129
4.4 Исследование теплового состояния камеры сгорания V=const 131
4.5 Сравнение камер периодического сгорания . 137
4.6 Выводы по разделу 140
5 Применение математической модели камеры сгорания V=const при создании двигательных установок 141
5.1 Особенности применения математической модели при расчетах характеристик ПуВРД 141
5.2 Пример расчетно-конструкторской разработки ПуВРД для БЛА, как альтернативы малоразмерным ТРД 142
5.3 Расчетно-конструкторская проработка турбостартера для запуска дизелей в условиях Севера 152
5.4 Выводы по разделу 159
Заключение. 160
Список использованных источников 162
Приложение А. Акт о внедрении результатов диссертационной работы... 169
- Экспериментальная камера сгорания при постоянном объеме в-составе стенда
- Описание алгоритма расчета рабочих процессов в золотниковой камере сгорания при постоянном объеме
- Влияние размерности камеры сгорания на параметры рабочего процесса
- Пример расчетно-конструкторской разработки ПуВРД для БЛА, как альтернативы малоразмерным ТРД
Введение к работе
Актуальность. Дефекты костей различной локализации являются причиной тяжелых функциональных нарушений и сопровождаются серьезной психологической травмой для пациента. В настоящее время отмечается рост числа больных с костными дефектами различной локализации. Ого обусловлено, во-первых, ростом травматизма, в том числе боевого; во-вторых, современными особенностями течения хирургической инфекции; в-третьих, ростом онкопатологии /ЭА. Нечаев, АК. Ревской, 1993; В.В. Лзолов, 1994; ВА Митиш, ЮА Амиросланов, 1999; В.И. Чиссов, И.В. Решогов, 1999; В.К. Гостищев, А.П. Шалчкова, 2000/.
В настоящее время с целью замещения костньж дефектов используются следующие методы: алло- и брефопластика, аутопластика аваскулярной костью, аутопластика костью на питающей ножке, имплантация и эндопротезирование, дистракционный остеосинтез по ГА. Илизарову, микрохирургическая аутотрансплантация васкуляризированньж костньж фрагментов.
Недостатками аваскулярньж аутотрансплантатов, аллотрансплантатов и имплантатов являются: малая устойчивость к инфекции, ограничение размеров замещаемого дефекта до 5-7 см, зависимость результата операции от состояния кровоснабжения тканей в области дефекта/А.И. Нсробссв, 1988; М.И. Жуков, И.О. Миланов, 1992/.
Широко применяемый метод дистракции костного регенерата по ГА Илизарову отличается длительностью и многоэтапностыо лечения /ВА Илларионов, ВА. Ночевкин, 1992/.
В отличие от предыдущих, метод микрохирургической аутотрансплантации васкуляризированньж костньж фрагментов имеет ряд преимуществ:
надежное и эффективное устранение дефекта за один этап и в короткие
сроки, близкие к таковым при открытых переломах,
сохранение жизнеспособности ауготрансплантата, активная
консолидация его с реципиентным ложем благодаря автономному
кровоснабжению,
улучшение кровообращение, оптимизация репаративньж процессов в
зоне возмещенного дефекта.
4 устойчивость васкуляризированных костных фрагментов к инфекции и
повторным курсам лучевой терапии,
достаточное количество пластического материала, что позволяет
устранить обширные костные дефекты,
возможность формирования мягкотканно-костных комплексов /O'Brien,
1977, 1988; А.И. Неробеев, 1988; И.О. Миланов, 1992/.
В клинической практике последних лет в основном используются васкуляризированные ауготрансплантаты губчатых и плоских костей (гребень подвздошной кости, ребро, лопатка), что значительно ограничивает возможности метода /ВАДунаевский, 1991, G.L. Robb, 1994, S.M. Shenaq, 1994, А.Е.Белоусов, 1998/. Недостатками ауготрансплантатов из губчатых и плоских костей считаются: недостаточная прочность при осевой нагрузке, нелинейная форма и относительно небольшой размер трансплантата /W.M. Swartz, 1986, И.О. Миланов, М.И. Жуков, 1992/.
С учетом этих факторов, наиболее перспективными
васкуляричированными костными ауготрансплангатами являются фрагменты трубчатых костей.
При анализе изученной литературы выяснилось, что остается открытым ряд вопросов, связанных с замещением костных дефектов васкуляризированными трансплантатами трубчатых костей, в частности, -малоберцовой костью:
недостаточно четко формулируются критерии выбора
васкуляризированного костного аутотрансплантата в зависимости от локализации и анатомических особенностей дефекта;
требует дальнейшего изучения состояние донорской зоны после взятия фрагмента малоберцовой кости;
остается открытым вопрос профилактики осложнений со стороны донорской зоны.
Все вышеизложенное послужило основанием для проведения настоящего исследования.
Цель исследования: повышение эффективности лечения больных с дефектами костей различной локализации и этиологии на основе использования метода микрохирургической ауготрансплантации васкуляризированной малоберцовой кости.
5 Задачи исследования:
Изучить особенности клинических проявлений костных дефектов и особенности кровоснабжения мягких тканей в зоне дефекта.
Разработать показания к микрохирургической ауготрансплантации васкуляризованного фрагмента малоберцовой кости.
Усовершенствовать методику пересадки малоберцовой кости.
Изучить осложнения, возникающие при взятии малоберцовой кости, разработать новые и модернизировать существующие методы профилактики осложнений со стороны донорской голени.
Научная новизна.
Впервые на достаточно большом клиническом материале разработана комплексная программа предоперационной оценки кровоснабжения донорской и реципиентной зон, позволяющая определить тактику хирургического лечения в каждом случае. Уточнены показания к использованию васкуляризированной малоберцовой кости в зависимости от анатомических особенностей дефектов. Разработана система критериев оценки функциональных нарушений при дефектах костей конечностей. Усовершенствована методика пересадки малоберцовой кости. Изучены функциональные и эстетические нарушения со стороны донорской зоны. Оптимизированы методы профилактики осложнений со стороны донорской и реципиентной зон.
Практическая значимость.
В результате проведения комплексного клинико-инструментального исследования у 70,0 % больных с дефектами костей выявлены нарушения кровоснабжения тканей в зоне предстоящей восстановительной операции. Сформулированы две группы показаний к использованию метода микрохирургической ауготрансплантации тканей в реконструктивной хирургии. Применение васкуляризированного аутотрансплантата малоберцовой кости позволило производить замещение обширных дефектов костей различной локализации и этиологии в один этап, сократить сроки лечения пациентов, снизить количество осложнений в послеоперационном периоде. Успех микрохирургических пересадок у 96,5 % больньж подтвердил высокую эффективность и надежность этой хирургической технологии.-
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Комплексное клинико-инструментальное исследование больньж с
существующими или планирующимися дефектами костей различной
локализации позволяет выявить патологические изменения тканей в зоне предстоящей восстановительной операции, сопровождающиеся нарушением их кровоснабжения.
Показания к использованию метода микрохирургической ауготрансплантации васкуляризированных комплексов тканей с целью замещения дефектов костей определяются, помимо анатомических характеристик дефекта, такими критериями как "патологические изменения тканей в зоне предстоящей восстановительной операции" и "прогноз в отношении жизни и выздоровления пациента".
Оптимальным методом замещения дефектов костей конечностей более 10 см в длину, дефектов тела нижней челюсти суммарной длиной более 9 см, а также дефектов костей в сочетании с хроническими гнойно-некротическими процессами в зоне предстоящей операции является микрохирургическая аутотрансплантация васкуляризированного фрагмента малоберцовой кости, размер которого в каждом конкретном случае определяются не только анатомическими особенностями дефекта, но и принципом нанесения минимального ущерба донорской области, а также перспективами дальнейшей реабилитации.
Использование предложенного автором способа профилактики нестабильности в голеностопном суставе после взятия фрагмента малоберцовой кости позволяет предупредить данное осложнение со стороны донорской зоны, при этом в полной мере реализовать одно из преимуществ малоберцового лоскута - значительную длину костного фрагмента.
Реализация результатов исследования.
Результаты настоящей работы применяются в повседневной практической деятельности отделения микрохирургии Воронежской областной клинической больницы № 1.
Апробация работы.
Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I (V) Международном симпозиуме /Москва, 2001/, научно-практической конференции "Экспериментальные и клинические вопросы медицины" /Воронеж, 2002/, межрегиональной конференции, посвященной 70-лстию В.И. Булынина /Воронеж, 2002/.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.
7 Объем и структура диссертации.
Диссертация изложена на 153 страницах, состоит из введения, обзора литературы, описания клинических наблюдений и методов исследования, двух глав собственньж исследований, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Работа иллюстрирована 28 таблицами и 35 рисунками. Список литературы содержит 307 источников, из них 157 отечественных и 150 зарубежных авторов.
Экспериментальная камера сгорания при постоянном объеме в-составе стенда
Осуществление сгорания при постоянном объеме, что позволяет реализовать преимущества цикла V=const над циклом P=const.
Высокая пропускная способность из-за больших значений площадей проходных сечений, по отношению к объему камеры. Эффект самовращения золотника можно использовать для привода электрогенератора, агрегатов, при этом частотой вращения золотника можно управлять поворотом направляющих аппаратов в выходном устройстве. 5. Обеспечение приемлемого уровня утечек воздуха при применении надежных лабиринтных уплотнений. Принципиальная новизна конструкции золотниковой камеры сгорания усложняет проведение расчетов её рабочих характеристик по существующим методикам. Поэтому, создание математической модели золотниковой камеры сгорания сократит сроки и затраты на создание золотниковой камеры сгорания. Экспериментальные исследования камеры сгорания при V=const проводились на испытательном стенде, созданном в ОАО «НПО «Сатурн». Схема стенда представлена на рисунке 10, в его состав входят: - объект испытаний- экспериментальная камера сгорания 1; - топливный насос высокого давления (ТНВД) 2; - мультипликатор-распределитель 3; - приводной электродвигатель 4, с системой измерения вращающего момента на золотнике; -устройство согласования углового положения золотника и ТНВД 5; - датчик системы измерения частоты вращения золотника 6;. - датчик силоизмерительный 7; - система подачи топлива; - система зажигания; - система подвода воздуха; - система управления частотой вращения электродвигателя; - система измерения давления сгорания топливовоздушной смеси Pf с безинерционным датчиком 16QP 100с. Экспериментальная камера сгорания объемом 310 см , показанная на рисунке 11, рассчитана на оптимальную работу при частоте вращения золотника 6000 об/мин. Камера состоит из корпуса- 1, в котором устанавливаются: свеча зажигания- 2, топливная форсунка— 3 и датчик давления- 4. В корпусе на подшипниках качения- 5 установлен, с возможностью вращения, полый ротор-золотник- 6, в котором по периметру его окна закреплена сферическая камера сгорания. Благодаря креплению камеры к ротору только по периметру его окна, она имеет возможность свободно расширяться при нагревании. Допустимая температура нагрева стенок КС— 800 С ограничена прочностью применявшихся конструкционных материалов. Уплотнения 7, между ротором и корпусом КС, лабиринтные. В корпусе имеется входное отверстие 8 для поступающего свежего заряда воздуха и выходное 9, для выхлопа. В золотнике установлено сопло 10, а в выходном канале корпуса лопатка 11 из жаропрочных сплавов. Подача топлива в камеру сгорания производится через форсунку 3 (фирмы "Бош") от ТНВД 2, созданного специально для данной экспериментальной установки Санкт-Петербургским ЦНИТА на базе серийного плунжерного насоса НД-21/3. На максимальной частоте вращения кулачкового вала топливного насоса ПНАС=2000 об/мин обеспечивается частота впрыска топлива 100 Герц, при давлении 32 МПа и продолжительности впрыскивания tBnp= 1,2— 1,6 мс. При этом, цикловая подача горючего может регулироваться на стенде от 5 до 20 мм . Синхронизация вращения золотника КС и кулачкового вала топливного насоса, а также необходимое соотношение их частот вращения 3 : 1 (оптимальная частота работы экспериментальной камеры сгорания 6000 об/мин, а максимальная частота вращения топливного насоса 2000 об/мин) обеспечивалось с помощью мультипликатора - распределителя 3 и специального механизма 5, позволяющего изменять угловое положение золотника камеры сгорания, относительно вала ТНВД, с шагом в 1 (см. рисунок 10). Привод вращающихся механизмов (систем) стенда осуществлялся электродвигателем постоянного тока 4. Регулирование частоты вращения электродвигателя осуществлялось с помощью рычага управления двигателем (РУД). Воспламенение тошгавовоздушной смеси, при запуске двигателя, производилось свечой накаливания (U=27 В), а на рабочих режимах - от горячей (800 С) стенки камеры сгорания. Для проведения исследований рабочих процессов в камере сгорания использовались методики и аппаратура, применяемые в ОАО «НПО «Сатурн» при испытаниях опытных авиационных двигателей. Схема измерения параметров рабочих процессов, протекающих в камере сгорания, представлена на рисунке 12. Точность замера основного параметра камеры— быстроменяющегося рабочего давления обеспечивалась пьезоэлектрическим датчиком 16QP100c фирмы AVL (Австрия), специально предназначенным для испытаний дизелей, имеющих наибольшую скорость тепловыделения (р), среди других двигателей внутреннего сгорания. Используемый в эксперименте пьезоэлектрический датчик давления 16QP100c имеет следующие основные характеристики: -динамический диапазон измерения давления от 0 до 50 даН/см2; - собственная частота - 50 кГц; - разрешающая способность измерений - 0,0002 даН/см ; - декремент затухания - 0,14. Определение параметров рабочего процесса камеры сгорания производилось по известным формулам 1. Температура сгорания Тр вычислялась по формуле где ц - коэффициент молекулярного изменения смеси (при коэффициенте избытка воздуха а = 1,3- 2,0) принят равным среднему значению- 1,04; 2. Масса свежего воздушного заряда определялась по формуле Клапейрона, исходя из полученных ранее значений Тс и Рс 3. Общий расход воздуха (включая продувочный) измерялся мерным устройством дроссельного типа. 4. Цикловая подача топливной смеси задавалась по лимбу рычага ТНВД, предварительно отпарированного.
Описание алгоритма расчета рабочих процессов в золотниковой камере сгорания при постоянном объеме
Термодинамическая эффективность пульсирующего двигателя с подводом теплоты при постоянном объеме (V=const), в котором, в качестве основного звена, используется предлагаемая золотниковая камера сгорания, достигает наибольшей величины при стехиометрическом соотношении компонентов топ-ливно-воздушной смеси. Высокая температура сгорания смеси, при этом, диктует необходимость более подробного изучения теплового состояния золотниковой камеры сгорания.
В результате проведенных на математической модели исследований альтернативной КС были получены данные изменении температуры в; сечении стенки камеры сгорания и относительного количества теплоты, переданного охладителю, в зависимости от частоты вращения золотника (п), толщины теплозащитного покрытия (ТЗП) и размерности камеры сгорания Y (рисунки 45— 47).
На графике (рисунок 45) показано влияние частоты вращения золотника на распределение температуры в сечении стенки. Расчет проводился при п=6000... 12000 мин"1, а=1.3, ДР=20000 Па, Тохл=300 К, тЗАд=0,0 с, Дтзп=1мм. Расчеты показывают, что с увеличением частоты вращения золотника происходит снижение температуры в стенке КС с ТСЕРЕДИНА=1437 К (п=6000 мин"1) до ТсЕРЕДинА=1249 К (п=12000 мин"1). Уменьшение относительного количества теплоты, переданного стенке камеры с 9,6 до 4,6% связано с уменьшением времени тгаах(см рисунок 36а).
Расчеты влияния толщины ТЗП на температуру в сечении стенки КС проводились при Атэп О.-.З мм, п=12000 мин"1, а=1.3, ДР=20000 Па, Тохл ЗОО К. Построенные на их основе графики (рисунок 46) показывают, что с увеличением толщины ТЗП (Дтзп) от 0 до 5 мм в начале происходит уменьшение температуры в середине стенки, а затем она начинает расти. Температура внешней стенки, к которой подводиться охладитель постоянно падает от (Лтзп 0 мм) до 1041 К (Дтзп= 5 мм). Происходит и уменьшение относительного количества теплоты, переданного стенке с 5 до 3,92 %.
Графики влияния масштабного фактора камеры на температуру в сечении её стенки показаны на рисунке 47. Расчет проводился при Y=1...2, а=1.3, ДР=20000 Па, Тохл ЗОО К, п=6000 мин"1, тЗАд=1.5 мс. Расчеты показали, что с ростом масштабного фактора камеры происходит рост температуры в средней части стенки камеры с ТСЕрЕДИНА=1243 К ( Y = 1) до тсередина 1309 К ( Y = 2) и уменьшение относительного количества теплоты, переданного стенке, с 6.95 до 3,85 %. Это объясняется уменьшением кривизны стенки камеры, из-за чего уменьшается площадь в середине стенки. Но так как, тепловой поток, проходящий через неё, не изменяется, то уменьшение площади стенки ведет к повышению ее температуры.
Из анализа расчетных данных и построенных на их основе графиков, показанных на рисунках 45— 47, можно сделать выводы. 1. При работе исследуемой КС V=const на частотах пульсаций ниже 12000 мин" температура её стенок повышается и может оказаться выше допустимой. Поэтому, при расчете КС на прочность, температуру её стенок следует задавать из условий работы на частотах п 12000 мин"1. 2. Возможна организация калильного воспламенения топливной смеси благодаря высокой, более 1000 К, температуре внутренней поверхности стенки теплозащитного покрытия. 3. Тепловые потери на охлаждение КС (9,62% при п=6000 мин 1 и 4,6 % при п=12000 мин" ) в несколько раз меньше, чем у ДВС (20- 30 %), благодаря применению ТЗП и большой частоте вращения золотника. Таким образом, золотниковая КС V=const, изготавливаемая по освоенным технологиям, при наличии ТЗП (ZrCb) с рабочей температурой поверхности 1200 С и толщине 1 мм, частоте рабочих пульсаций 200 Гц, благодаря кратковременному воздействию высокой температуры и продувке, может обеспечить работоспособность с максимальной температурой сгорания Tz=2300 К. При этом потери тепла на охлаждение могут составить 4.6 %. Из сравнения камер (таблица 2) видно, что наиболее полно реализуют преимущества цикла при V=const золотниковая и двухклапанная камеры, они позволяют получить большее повышение давления в камере при сгорании топлива, чем все остальные. В тоже время, в экспериментальной золотниковой камере полнота сгорания топлива ниже, чем в ДКК, но при этом она имеет более простую конструкцию, в отличие от ДКК, реализует большую частоту циклов. Также следует отметить, что в ДКК существует ограничение на максимальную температуру сгорания, из-за прогорания выходного клапана, в золотниковой камере такого ограничения нет и она работоспособна при большей температуре. БКК имеет большую по сравнению с экспериментальной камерой частоту циклов, но степень добавочного повышения незначительна. Расчетное исследование золотниковой камеры показало, что при применении предварительного впрыска топлива в камеру частота пульсаций может составить 200 Гц, при этом полнота сгорания будет иметь приемлемое значение 0.95, а температура газов может достичь стехиометрических значений. Таким образом, показано, что золотниковая камера при проведении соот ветствующих мероприятий по улучшению процесса сгорания может иметь лучшие характеристики, чем рассматриваемые камеры пульсирующего сгорания. В главе проведены исследования влияния различных конструктивных и термодинамических параметров на эффективность золотниковой КС. Исследование показало, что: - возможна организация рабочего процесса с частотой циклов достигающей 200 Гц; - возможна организация калильного воспламенения топливной смеси благодаря высокой, более 1000 К, температуре внутренней поверхности стенки теплозащитного покрытия; - при работе золотниковой КС V=const на частотах пульсаций ниже расчетных температура её стенок повышается и может оказаться выше допустимой; - для улучшения условий протекания процессов газообмена необходимо, при разработке, минимизировать угловое расстояние между ее входным и выходным отверстиями; - для улучшения ее характеристик при увеличении объема и частоты вращения, ухудшающих условия для протекания процессов газообмена и сгорания, необходимо увеличение диаметров проходных отверстий, угла опережения впрыска топлива и перепада давлений на входе и выходе камеры; - золотниковая камера при проведении соответствующих мероприятий по улучшению процесса сгорания имеет лучшие характеристики, чем рассматриваемые камеры пульсирующего сгорания.
Влияние размерности камеры сгорания на параметры рабочего процесса
Актуальность создания системы запуска дизелей в условиях Севера (до минус 50 С), отвечающей современным требованиям, была определена Программой "Техника Российского Севера". Однако, данная Программа, разработанная в начале 90-х годов, не была реализована из-за недостаточного финансирования.
В настоящее время запуск дизелей при отрицательных температурах производится двумя отдельными системами: предварительного подогрева и раскрутки. Система подогрева представляет собой топливовоздушный подогреватель (печь) подающий горячие газы под поддон картера дизеля. Здесь для обеспечения работы электропривода воздушного вентилятора подогревателя требуется аккумулятор. В качестве системы раскрутки, в основном, получили распространение электростартеры и мотостартеры. Однако эти типы стартеров обладают рядом недостатков: - электростартеры имеют высокую удельную массу 2- 3 кг/кВт, требуют для раскрутки мощных тяжелых.аккумуляторов, которые в условиях Севера, сложны в эксплуатации; - мотостартеры, обычно это карбюраторные ДВС, имеют удельную массу 2- 3 кг/кВт, ненадежный запуск при низких температурах, требуют специального топлива, обычно бензина. При этом количество тепла, содержащегося в выхлопных газах, из-за малого их расхода недостаточно для разогрева дизеля.
Предлагаемая единая для подогрева и раскрутки система запуска дизеля должна обеспечить надежный и быстрый (не более 10 мин) запуск дизелей мощностью до 500 кВт в условиях Севера, при стоимости системы не выше стоимости существующих систем запуска [63]. В основе системы запуска заложен турбостартер (рисунок 55), выполненный на базе золотниковой пульсирующей камеры сгорания (V=const),Конструкция стартера, по сравнению с известными авиационными тур бостартерами, представляющими собой малогабаритный газотурбинный двигатель (ГТД) и обладающими высокими эксплуатационными свойствами, качественно упрощена. Это достигается тем, что функцию компрессора, камеры сгорания и турбины выполняет один узел - золотниковая камера сгорания V = const с реактивным соплом в золотнике. При этом сохранены достоинства ГТД - надежный быстрый запуск при низких температурах (-50 С) и возможность работы на тяжелом топливе (дизельное топливо, керосин). Благодаря особенностям цикла V = const мощность при поддержании постоянной теплонапряжен-ности конструкции со снижением температуры воздуха с -50 до +15 С увеличивается в «1,5 раза. Кроме того, турбостартер может эффективно выполнять функцию подогревателя. Расход газа с температурой « 800 К составляет более 200 г/с (для мощности 8— 20 кВт), при этом количество теплоты, выделяющееся в единицу времени, в несколько раз превышает аналогичный параметр серийного подогревателя ПЖД-30. Большая кинетическая энергия газов (скорость газов на выходе из турбостартера - звуковая) способствует уменьшению габаритов системы подогрева.
На рисунке 55 изображена компоновка турбостартера. В золотнике I камеры имеется реактивное сопло 2, с помощью которого создается вращающий момент при истечении газа из золотника. Первоначальная раскрутка производится электростартером 7 Уплотнение между золотником и корпусом - лабиринтное. Продувка камеры сгорания осуществляется за счет разрежения, создаваемого в камере инерцией выхлопных газов. Движение воздуха и газов показано стрелками на рисунке 55, Подача топлива обеспечивается подкачивающим универсальным автотракторным насосом 3 и насос-форсункой 4, а воспламенение топливовоздушной смеси - свечой накаливания 5. В горячей части корпуса выполнен теплообменник 6 для подогрева охлаждающей жидкости дизеля. На рисунке 56 представлена схема подогрева и раскрутки дизеля состоящая из: турбостартера 1, муфты 2, дизеля 3, крана 4 в магистрали подогрева ох 154 лаждающей жидкости, насоса 5 для прокачки через теплообменник охлаждающей жидкости, эжектора 6 для подмешивания холодного воздуха. При необходимости предварительного разогрева дизеля (при низких температурах) турбостартер 1 работает в течение «10 мин. на дроссельном режиме при отключенной муфте 2. При этом турбостартер вращает насос 5, кран 4 открыт, прокачивающий охлаждающую жидкость дизеля через теплообменник 6 (рисунок 55), выхлопные газы после подмешивания холодного воздуха в эжекторе с Тр=800 К поступают на подогрев поддона картера дизеля. После разогрева дизеля доступ охлаждающей жидкости в насос 5 перекрывается краном 4. По предварительной оценке, все характеристики турбостартера могут быть резко улучшены, например, при применении его в дизеле 3 с турбокомпрессором 6 (рисунок 56). Известно, что свободный (несвязанный с коленвалом) турбокомпрессор (ТК) ухудшает пусковые свойства дизеля, так как компрессор в момент запуска не вращается, а степень сжатия в цилиндрах может оказаться недостаточной для самовоспламенения топлива при низких температурах. Это обстоятельство также сдерживает прогрессивную тенденцию увеличения степени повышения давления в компрессоре 7. В предлагаемом варианте (рисунок 56), на запуске, турбокомпрессор 7 будет работать на стартер 1, и его мощность вырастет практически пропорционально Як (Для тс к = 2,5 N=20 кВТ), а в дизель 3 перед его раскруткой будет поступать воздух с расчетными параметрами, т.е. не потребуется подогрева воздуха при низких температурах. Кроме того, в двухтактных дизелях не потребуется продувочный насос (компрессор), обеспечивающий продувку на запуске.
Пример расчетно-конструкторской разработки ПуВРД для БЛА, как альтернативы малоразмерным ТРД
Для применения созданной математической модели золотниковой КС ,. V=const при расчете ПуВРД необходимо: - основываясь на опыте создания ДВС, и, учитывая результаты исследо ваний, полученных на математической модели, время задержки воспламенения следует задавать в диапазоне 0,001— 0,004 с. Большие значения времени за держки воспламенения соответствуют меньшим значениям давления и темпе ратуры воздуха на входе в камеру. К возрастанию времени задержки воспламе нения приводит и увеличение объема КС или уменьшение температуры её сте нок; - задать давление и температуру воздуха на входе в КС, по результатам расчета входного устройства или компрессора; - задаться перепадом давления на входе и выходе камеры - задать граничные условия по прочности золотника. В первом приближении предельную окружную скорость можно принять равной 150 м/с. После определения облика золотниковой камеры и проведения ее прочностного расчета величина предельной окружной скорости уточняется; - определиться с граничными условиями по частоте впрыска топлива. Максимальную частоту впрыска топлива для одной, освоенной в производстве, насос-форсунки можно принять равной 100 Гц, для опытной насос—форсунки -150 Гц.,
В последнее время за рубежом большое внимание уделяется созданию дозвуковых БЛА различного назначения: воздушных мишеней, ложных целей, управляемых ракет, таких, как «MALD», «POLYPHEM», «LOCAAS», с уровнем потребных тяг в диапазоне 150- 250 Н.
Так, фирмой Hamilton Sundstrand разрабатывается и испытывается двигатель TJ-30, рассчитанный на околозвуковые скорости и дальность полета более 400 км. Увеличенная его модификация- TJ-50, возможно, будет выбрана в качестве двигательной установки для малой крылатой ракеты Locaas, которая рассматривается, как вооружение следующего поколения беспилотных летательных аппаратов, типа Predator В. Этой же фирмой производится модернизация беспилотного аппарата-ловушки MALD, воздушного базирования. Для него разрабатывается двигатель TJ-95. Аппарат будет летать со скоростью 0,6— 0,8 Маха, на высоте 3000 м, продолжительность полета 60 мин.
Фирмы Lockheed Martin, Raytheon, Boeing и Northrop Grumman также объявили о планах создания недорогих летательных «паразитных» БЛА. Самой сложной частью программы создания БЛА является удовлетворение требова-ний Пентагона, который считает, что эти летательные аппараты должны быть дешевыми, требовать небольших средств на их разработку и быть готовыми к демонстрации в ближайшее время. Ещё одно важное требование- это 100 % готовность БЛА к работе после их длительного хранения. Поэтому, при создании ТРД малой тяги необходимо решить следующие основные проблемы: - обеспечение цены двигателя на уровне 8-10 тыс. долларов США; - создание подшипников для частот вращения ротора турбокомпрессора более 100000 об/мин; - обеспечение приемлемого уровня КПД узлов турбокомпрессора малой размерности. Наиболее важной проблемой является снижение стоимости двигателя, для чего используются: - перспективные конструктивные решения, например: ротор турбокомпрессора выполняется в виде простого консольного моноротора, включающего осецентробежный компрессор и одноступенчатую осерадиальную турбину; - газифицируемые твердые топлива, которые не требуют насоса, значительно упрощают систему автоматического управления (САУ) и эксплуатацию двигателя; и - упрощенная система смазки гибридных (с керамическими телами каче ния) подшипников «топливным туманом»; . - научно технический задел (НТЗ) в технологии изготовления турбоком прессора, созданный в автомобильной промышленности для обеспечения недо рогого массового производства агрегатов турбонаддува ДВС. Перечисленные выше проблемы создания ТРД малой тяги потребовали у инофирм значительных финансовых затрат и времени на их разработку. Так, ТРД TJ-50, несмотря на кажущуюся простоту, создается уже несколько лет. Поэтому, представляется целесообразным рассмотреть другие варианты конструктивных схем двигателей, альтернативных имеющимся ТРД. Конструктивная схема такой альтернативной силовой установки БЛА с ПуВРД на базе золотниковой камеры сгорания V=const представлена на рисунке 49. ПуВРД включает в себя входное устройство 1, золотниковую камеру сгорания V=const 2 и выходное устройство 3. Камера сгорания, сферической фор мы, состоит из корпуса 4, в котором установлен золотник 5. В корпусе уста новлена также топливная форсунка 6 и свеча зажигания 7. Золотник 5, имею щий пиростартер 8, окно 9 для впуска и выпуска рабочего тела, вращается в подшипниках 10 с твердой или консистентной смазкой. Выходное устройство 3 представляет собой сопло с центральным телом, которое позволяет обеспечить полное расширение газов, с приемлемым уровнем потерь тяги 5 %, при нестационарном режиме течения газов. ПуВРД работает следующим образом: при раскрутке золотника от пиро-стартера 8, форсунка 6 начинает подавать топливо в камеру, которое смешивается с воздухом и воспламеняется, в начале от приростартера, а затем от свечи зажигания 7. При вращении золотника 5 (по стрелке) его полость последовательно сообщается с входным устройством 1, форсункой 6, и выходным устройством 3. При этом последовательно происходят процессы: - впуск воздуха; - впрыск топлива, с его распылом и самовоспламенением от горячих стенок камеры (на основных режимах); - истечение газов через выходное устройство, создающее тягу; - продувка камеры сгорания (при совмещении окна золотника одновременно с выходным и входным устройствами). При истечении газов из выходного устройства вектор тяги имеет плечо относительно оси вращения золотника, обеспечивая, тем самым, его вращение. Характеристики ПуВРД с золотниковой камерой сгорания V=const рассчитывались на математической модели при скоростях полета БЛА МпИ).1— 0.8 и Нп=0 м.
