Генератор сверхзвуковых струй на базе малогабаритной ракетной камеры для струйно-абразивной обработки материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Буланова, Екатерина Александровна

• Буланова, Екатерина Александровна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буланова, Екатерина Александровна

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1 Генераторы сверхзвуковых струй нл базе ракетной камеры.

1.2 Основные особенности рабочего процесса генераторов сверхзвуковых струй.

1.3 струйпо-абразивпая обработка материалов.

1.4 Установки для струйно-абразивной обработки.

1.5 Устройство для струйно-абразивной обработки нл базе ракетного двигателя.

1.6 Теоретические и экспериментальные методы исследования двухфазных потоков.!.

1.7 Цели и задачи работы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННЫХ СТРУЙ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ ДЛЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ.

2.1 Математическая модель движения монодисперсного потока абразива в сверхзвуковой струе продуктов сгорания генератора сверхзвуковых струй для струйно-абразивной обработки материалов

2.2 Методика расчета кинетических характеристик двухфазной струи генератора сверхзвуковых струй для струйно-абразивной обработкиматериалов.

2.3 результаты расчета кинетических характеристик двухфазных струй продуктов сгорания.

2.4 Математическая модель движения полидисперсного потока частиц в сверхзвуковой струе продуктов сгорания ГСС для САО.

2.5 Методика расчета скорости движения полидисперсного потока частиц в потоке продуктов сгорания.

2.6 определе1ше среднего диаметра полидисперсного потока частиц.

2.7 Решение для частиц с высоким числом Рейнольдса.

2.8 выводы по главе.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ НА БАЗЕ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ ДЛЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1 Газогенератор сверхзвуковых струй для струйно-абразивной обработки на базе ракетного двигателя малой тяги.

3.1.1 Основные принципы проектирования.

3.1.2 Система воспламенении компонентов топлива.

3.1.3 Особенности стабилизации процесса горения в камере газогенератора. Определение основных параметров стабилизатора.

3.1.3 Разработка формы профиля камеры сгорания.

3.2 стенд для экспериментального исследования кинетических характеристик сверхзвуковых двухфазных струй.

3.2.1 Устройство контроля параметров дисперсной фазы.

3.2.2 Основные системы стенда для проведения экспериментальных исследований.

3.2.3 Газогенератор сверхзвуковых струй для струйно-абразивной обработки материалов.

3.3 Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА СВЕРХЗВУКОВЫХ СТРУЙ ДЛЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ. УСТАНОВКА ДЛЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ.

4.1 Программа испытаний.

4.2 Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета.

4.2.1 Исследование характеристик потока абразива на холодном пуске газогенератора.

4.2.2 Исследование характеристик потока абразива в струе продуктов сгорания.

4.3 установка для струйно-абразивной обработки материалов.

4.4 Критерий сравнения устройств для струйно-абразивной обработки материалов.

4.5 Перспективы развития конструкции газогенератора.

4.6 Выводы по главе.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генератор сверхзвуковых струй на базе малогабаритной ракетной камеры для струйно-абразивной обработки материалов»

Высокая энерговооруженность ракетных двигателей может быть использована не только для создания тяги, но и для различных технологических процессов. В последнее время появился целый ряд устройств, предназначение которых создавать сверхзвуковые высокотемпературные потоки на базе ракетных двигателей малой тяги - это генераторы сверхзвуковых струи.

Богатый опыт разработки, исследования и эксплуатации подобных устройств, накопленный в Национальном аэрокосмическом университете имени Н.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана, Самарском государственном аэрокосмическом университете имени С.П. Королева и многих других учреждениях, как в отечественных, так и в зарубежных, говорит о перспективности использования генераторов сверхзвуковых струй применительно к таким технологическим процессам, как резка, нанесение покрытий, струйно-абразивная обработка материалов.

В практике широкое распространение получила струйно-абразивная обработка материалов, которая применяется во многих технологических процессах:

- удаление загрязнений, ржавчины, масла, инородных тел с поверхности;

- подготовка поверхности к нанесению покрытий (металл, краска, резина, пластик, клей и др.) в целях улучшения качества и свойств покрытия;

- упрочнение поверхностей;

- очистка отливок от пригоревшей формовочной смеси;

- подготовка кромок под сварку и пайку;

- зачистка швов после сварки и пайки;

- получение матовой поверхности на изделиях из металла, пластмассы и стекла и их декоративная отделка.

Мобильные установки для струйно-абразивной обработки позволяют производить ремонт мостов, морских судов, военной техники, нефте- и газопроводов; работы по восстановлению фасадов, гранитных памятников, набережных сооружений и др.

Интенсивность разрушения поверхностного слоя материала преграды зависит от скорости движения частиц и частоты соударений, что характеризуется массовым расходом частиц. Таким образом, производительность струйно-абразивной обработки связана напрямую с кинетическими параметрами частиц абразива в момент контакта с обрабатываемой поверхностью.

Разгон частиц абразива происходит за счет энергии активного потока, которым в большинстве устройств является воздух. Чем больше расход воздуха, тем большим может быть и расход абразива, разгоняемый активным потоком, величина же скорости абразива ограничивается скоростью активного потока. Для воздуха при нормальных условиях подачи скорость частиц абразива не превышает 80 м/с. Это приводит к тому, что в традиционных установках для струйно-абразивной обработки материалов расход воздуха достигает 150 г/с при давлении до 7 ати, что требует использования стационарных компрессоров мощностью до 100 кВт.

Дальнейшее развитие установок для струйно-абразивной обработки материалов связано с использованием в качестве активного потока продуктов сгорания топлив воздух-керосин или воздух-бензин. В них скорость активного потока достигает 1000 м/с, соответственно скорость частиц абразива может достигать 350 м/с. Это позволяет повысить производительность и качество процесса при сокращении габаритов установок. Появились мобильные установки, однако, использование жидкого горючего вызывает проблему запуска, смесеобразования, качества рабочего процесса и, к тому же, связь специфических целевых функций, отвечающих за производительность и качество струйно-абразивной обработки материалов, с режимными и конструктивными параметрами работы этих устройств не исследовалась.

В данной работе предложен генератор сверхзвуковых струй на газообразном топливе на базе ракетной камеры для струйно-абразивной обработки материалов с режимными параметрами, отвечающими требованиям экономичности и кинетическими параметрами струи соответствующими производительности технологического процесса превышающей существующие аналоги.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Буланова, Екатерина Александровна

выводы

В работе решена важная техническая задача создания высокоэффективного технологического устройства для струйно-абразивной обработки материалов на базе ракетной камеры. Решена проблема установления связи кинетических параметров потока частиц с режимными и конструктивными характеристиками, соответствующих генерирующих систем и поиск оптимальных решений. Разработаны рекомендации к проектированию генератора сверхзвуковых струй на базе ракетной камеры в качестве устройства для струйно-абразивной обработки материалов.

1. Разработана и исследована математическая модель движения частиц абразива в струе продуктов сгорания. Исследование влияния параметров двухфазной струи на кинетические характеристики частиц в момент контакта с обрабатываемой поверхностью показало, что мощность кинетической энергии потока частиц имеет максимальное значение при коэффициенте запыленности струи /=5.10 в зависимости от размера частиц.

2. Создан экспериментальный стенд и проведено экспериментальное исследование по измерению скорости и гранулометрического состава частиц абразива, движущихся в потоке продуктов сгорания генератора сверхзвуковых струй.

3. Разработана конструкция генератора сверхзвуковых струй на базе ракетного двигателя малой тяги как устройства для разгона абразива.

4. Определена область рациональных режимов работы генератора сверхзвуковых струй на базе ракетной камеры для струйно-абразивной обработки материалов.

5. Разработан единый критерий сравнения устройств для струйно-абразивной обработки материалов, на основании которого проведен сравнительный анализ существующих устройств и спроектированного в рамках данной диссертационной работы. Показано, что предложенное устройство превосходит существующие аналоги минимум в 2,5 раза. Создана установка для струйно-абразивной обработки, позволяющая производить обработку поверхностей в труднодоступных местах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буланова, Екатерина Александровна, 2009 год

1. Абрамович Т.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. — 888с.

2. Агафонов К.Н., Аралов А.Д. Численный расчет взаимодействия закрученной газовой струи с пластиной // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. Харьков, 1983. - Вып.З. - С.65-70.

3. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1969. 548с.

4. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. — М.: Машиностроение, 1980. 536с.

5. Анцупов А.В. Исследование параметров нерасчетной сверхзвуковой струи газа // Журнал технической физики, 1974, Т.44. С. 372-379.

6. Аэродинамика закрученной струи. / Ахмедов Р.Б., Балагула Т.Б., Рашидов Ф.К. и др. М.: Энергия, 1977. - 385с.

7. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990. - 334 с.

8. П.Берже П., Помо И., Визаль К. Порядок в хаосе. О детерминистском подходе к турбулентности: Пер. с франц. М.: Мир, 1991. - 368 с.

9. Богачев В.В., Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В. Методические основы проведения исследований в высокотемпературных гетерогенных потоках. ПРЕПРИНТ №2-331 1991.-84с.

10. Буланова Е.А. Координатная измерительная машина с ЧПУ: учеб. пособие / Сост.: Буланова Е.А. Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм, ун-та, 2008. — 51с.

11. Буланова Е.А. Метод экспериментального определения импульсного воздействия твердой фазы на преграду // VIII Королевские чтения: Сб. тезис, доклад, научн. конф. Самара, 2006 г. - С. 22.

12. Буланова Е.А., Первышин А.Н. Импульсные и энергетические характеристики недорасширенных двухфазных струй продуктов сгорания // Вестник Самар. гос. аэрокосм, ун-та. 2006. - № 2 (10). - С. 352-357.

13. Буланова Е.А., Первышин А.Н. Исследование модели движения полидисперсного потока частиц в струе продуктов сгорания // Вестник Самар. гос. аэрокосм, ун-та. -2008.-№3 (16).-С. 7-14.

14. Варакеин А.Ю., Полежаев Ю.В., Поляков А.Ф. Экспериментальное исследование пульсационных характеристик турбулентного течения в трубе газа с твердыми частицами: Труды PHKT 2 М.: МЭИ, 1998. T5 - С. 159-162.

15. Венедиктов В.Д. Турбины и реактивные сопла на двухфазных потоках. М.: Машиностроение, 1969. - 196с.

16. Волков К.Н., Горшков Г.Ф. Теплообмен частиц дисперсной примеси в турбулентных струях газа и плазмы. // Труды PHKT 3 М.: МЭИ, 2002. T5 - С. 187190.

17. Волокнитин B.C., Стасенко A.JL, Чеховский В.Ф. Нестационарные движения газа с частицами в каналах постоянного и переменного сечения М., Изд. отдел ЦАГИ, 1975.-28с.

18. Воронецкий А.В., Ягодников Д.А. расчетно-экспериментальное исследование высокотемпературных сверхзвуковых газовых струй в технологических установках/ Вестн. МГТУ, 1997. №3. 128с.

19. Высокотемпературные газовые потоки, их получение и диагностика: Сб. научн. тр. Харьков: ХАИ, 1990. - 155с.

20. Газоструйная термическая очистка труб от нефтяных отложений. Первышин А.Н., ЕгорычевВ.С., Косенко А.И. // Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды: Труды 3-й Всероссийской НТК М., 1999 г, - С.181-184.

21. Гетерогенные потоки: научные основы технологии резки материалов/ Кузьмин Р.Б., Михатулин Д.С. и др.// Препринт ОИВТ РАН №2-423, М., 1998. - 73с.

22. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987.- 588 с.

23. Дубовкин Н.Ф. Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания. М.: Госэнергоиздат, 1962.- 288 с.

24. Евсеев Г.Б., Глизманенко Д.Л. Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1974. -312с.

25. Зажигасв Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента — М.: Атомиздат, 1978. 232с.

26. Исаков А.Л., Степанов А.С. О расчете присоединенной массы сверхзвуковой струи // Инженерно-физический журнал. — 1983. Т. 45, №3. - С.365-370.

27. Исследование параметров осесимметричных недорасширенных струй идеального газа / Аверенкова Г.И., Ашратов Э.А. и др. // Вычислительные методы и программирование. Изд-во ВЦ МГУ, 1970. - ч.2.

28. Ковалев Б.Д., Мышенков В.И. Расчет вязкой сверхзвуковой струи, истекающей в затопленное пространство // Ученые записки ЦАГИ. — 1978. Т.9, №2. — С. 9-18.

29. Кудинов В.В., Белещенко В.Е. Исследование взаимодействия полидисперсного материала в потоке плазмы // VIII Всер.конф. по генераторам низкотемпературной плазмы: Тезисы докладов Новосибирск, 1980. ТЗ. - С. 225-228.

30. Кузьмин Р.Б., Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л., Влияние термодинамических параметров сжатого газа на эффективность разгона частиц // Труды РНКТ 2- М.: МЭИ, 1998. Т5 С. 221-224. '

31. Курант Р., Фридрикс К. Сверхзвуковое течение и ударные волны. М.: «Иностр. литература», 1950.- 426с.

32. Лукьянов Г.А. Сверхзвуковые газовые струи // Сверхзвуковые газовые струи. -Новосибирск, 1983. С. 3-21.

33. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. - 848с.

34. Метод расчета данного давления в многосопловых ракетных компоновках // Новое в зарубежном авиадвигателестроении. 1971. - №4. - С. 36-46.

35. Михайлов А.И., Горбунов Г.М., Борисов В.В., Квасников JI.A., Марков Н.И. Рабочий процесс и расчет камер сгорания газотурбинных двигателей. М.: Оборонгиз, 1959.- 284с.

36. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Научные основы технологии резки материалов в высокотемпературном сверхзвуковом гетерогенном потоке // Труды РНКТ 3 М.: МЭИ, 2002. Т5 - 269-272с.

37. Михатулин Д.С., Полежаев Ю.В., Ревизников Д.Л. Теплообмен и разрушение тел в сверхзвуковом гетерогенном потоке. М.: ЯНУС-К, 2007. 392с.

38. Михатулин Д.С., Ревизников Д.Л., Способин А.В., Шехтер Ю.Л. Особенности теплоэрозионного разрушения материалов в сверхзвуковом полидисперсном потоке // Труды РНКТ-4 М.: МЭИ, 2006. Т6. - С.87-90.

39. Мотроненко А.П. Сверхзвуковая высокотемпературная газовая струя как источник энергии для разрушения твердых пород // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. Харьков, 1981. — Вып.1. — С.65-71.

40. Накоряков В.Е., Яненко Н.Н. Сверхзвуковые течения в условиях скоростной неравновесности частиц М.: Машиностроение, 1980. - 180с.

41. Обобщенный критерий эффективности разрушения подвижной преграды сверхзвуковой струей продуктов сгорания. Первышин А.Н. В Вестнике СГАУ, серия «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», выпуск 3, часть 2. — Самара, СГАУ, 1999. С. 276-280.

42. Осипов М.И., Гладощук К.А., Арбеков А.Н. Особенности процессов теплообмена при высокотемпературных течениях двухфазных сред // Труды РНКТ 2. М.: МЭИ, 1998. Т5 - С.250-254.

43. Пасичный В.В., Фролов Г.А., Чоба А.В. Исследование параметров в струе газогенератора при пониженном давлении окружающей среды // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ХАИ. Харьков, 1982. - Вып.2. — С.135-140.

44. Первышин А.Н., Заботин В.Г., Косенко А.И. Тепловой механизм разрушения преграды трансзвуковой струей продуктов сгорания ракетных топлив // Инженерно-физический журнал. 1983. Т. XIV. №5. С. 775-760.

45. Первышин А.Н. Исследование влияния состава топлива на энергетические параметры генератора сверхзвуковых струй для резки материалов: Методические указания/ СГАУ-Самара, 1998,-18с.

46. Первышин А.Н. Основы проектирования генераторов сверхзвуковых струй продуктов сгорания газообразных топлив и их технологическое использование. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Самара, 1994г. 364с.

47. Першин А.П., Ниценко А.Я. Оценка возможности интенсификации теплового воздействия газовых струй на преграды // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. Харьков, 1981. - Вып.1. - С.61-65.

48. Першин А.П. Экономичность струйного нагрева // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. Харьков, 1981. - Вып.1. - С.61-65.

49. Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. М.: Машиностроение, 1974.- 246с.

50. Пичко А.С. Струйно-абразивная обработка металлов. — М.: Машиностроение, 1968.-120с.

51. Пневматическая струйная техника. Ю.Б. Воронов, C.JI. Масленников // Труды Яблонской конф. М.: Мир, 1969. - 400с.

52. Поляев В.М., Александренков В.П. Аппараты для термогазоструйной обработки материалов и поверхностей. // Химическое и нефтяное машиностроение, №4. 1995.- С. 38-39.

53. Поляев В.М., Генбач А.А., Пчелин АЛ. Термический способ разрушения материала // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение, 1992. №2. С. 104-111.

54. Прикладная газовая динамика, Абрамович Г.Н. — М: «Наука», 1969. С.824.

55. Салтанов Г.А. Неравновесные и нестационарные процессы в газодинамике однофазных и двухфазных сред. М.: Наука, 1979. 286с.

56. Сверхзвуковые двухфазные течения в условиях скоростной неравновесности частиц. Яненко Н.Н., Солоухин Р.И., Папырин А.Н., Фомин В.М. — Новосибирск: Наука, 1980. 160с.

57. Спесивцев В.В. Особенности взаимодействия сверхзвуковой газовой струи с поверхностью теплообмена в окрестности критической точки // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. — Харьков, 1981.- Вып.1.-С.53-56.

58. Стернин JI.E. Основы газовой динамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение, 1974. 212с.

59. Стернин JI.Е., Шрайбер А.А. Многофазные течения газа с частицами. М.: Машиностроение, 1974. -160с.

60. Урюков Б.А., Кисель В.М., Евдокименко Ю.И. Столкновения между частицами в одномерном двухфазном потоке // Труды РНКТ 3 М.: МЭИ, 2002. Т5. - С.129-132.

61. Фурсов А.П. Исследование эффективности использования различных топлив в качестве рабочих тел газоструйных тепловых установок // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. Харьков, 1981. - Вып.1. - С.8-13.

62. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. — М.: Наука, 1974. — 711с.

63. Шрайбер А.А. Течение газа с частицами Киев: Наук. Думка, 1980. - 250с.

64. Экономичность теплового воздействия струи в системах струйного нагрева / С.Н. Акулов, А.П. Першин, А.П. Фурсов и др. // Высокотемпературные потоки, их получение и диагностика/ ХАИ. — Харьков, 1982. Вып.З. — С.3-15.

65. Экспериментальное определение предельной нерасчетности сверхзвуковой струи, натекающей на нормально расположенную безграничную плоскую преграду / Соколов Е.И., Старцев А.В., Усков В.Н. и др. // Инженерно-физический журнал. -1977. Т.32, №2. - С.247-250.

66. Экспериментальный комплекс для испытаний генераторов сверхзвуковых струй, инструмента новых технологических процессов / А.Н. Первышин // Методические указания. Самара: СГАУ, 1998. - 21с.

67. Экспериментальный комплекс для исследования процесса удаления изоляции с проводов сверхзвуковой струей продуктов сгорания / Первышин А.Н., Косенко А.И., Царьков В.Н.: Отчет № 751. Самара: СГАУ. - 1993.

68. Юдаев Б.Н., Гавриленко И.П., Шанин Ю.И. Экспериментальное исследование газодинамического и теплового воздействия сверхзвуковой импактной струи // Высокотемпературные газовые потоки, их получение и диагностика / ХАИ. — Харьков, 1983. Вып.З. - С. 32-42.

69. Юдаев Б.Н., Михайлов М.С., Савин В.К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. М.: Машиностроение, 1977. - 248с.

70. Crowe C.T., Troutt T.R., Chung J.N. Numerical models for two-phase turbulent flows // Ann. Rev. Fluid Mech. 1996. V.28. P. 11-43.

71. Gosman A.D. Ioannides E. Aspects of computer simulation of liquid-fueled combustors // AIAAP. 1981. №81-0323.