Исследование эжекторных усилителей тяги (ЭУТ) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Монахова, Вероника Павловна

• Монахова, Вероника Павловна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Монахова, Вероника Павловна

Основные условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Анализ опубликованных работ и постановка задачи исследования.

Типы эжекторных устройств и требования, предъявляемые к ним.

1.1. Численные методы исследования характеристик эжекторных усилителей тяги со стационарным течением газа.

1.2. Экспериментальные исследования характеристик эжекторных усилителей тяги.

1.3.1 Влияние потерь в эжекторном насадке на работу ЭУТ.

1.3.2 Влияние конструктивных параметров системы "сопло -эжекторный насадок" на эффективность работы ЭУТ.

1.3. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Экспериментальная установка, система измерений и методики обработки опытных данных.^

2.1. Описание экспериментальной установки.5g

2.2. Система измерений на модернизованной установке маятникового типа.

2.2.1. Измерение тяги исследуемых моделей.

2.2.2. Измерение давлений.

2.2.3. Измерение температуры.

2.3. Оценка погрешности определения расхода воздуха.

2.4. Методики обработки расчетных и экспериментальных данных.

2.4.1. Методика расчета сопла и определение его характеристик.

2.4.2. Определение тяговых и расходных характеристик сопла по экспериментальным данным.

2.4.3. Методика расчета эжекторного усилителя тяги.

Выводы по главе.

Глава 3. Расчетные и экспериментальное исследование характеристик эжектирующего сопла и эжекторного увеличителя тяги.

3.1. Расчет характеристик эжектирующего сопла. gg

3.2. Расчет характеристик зжекторного увеличителя тяги.

3.3. Экспериментальное исследование эжектирующего сопла.

3.3.1. Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик эжектирующего сопла.

3.4. Экспериментальное исследование ЭУТ. Ю

3.4.1. Определение характеристик сопла с ЭУТ по измеренному распределению статических давлений по длине эжекторного насадка. Ю

3.4.2. Определение характеристик сопла с ЭУТ по измеренному распределению полных давлений на выходе из эжекторного насадка.

3.4.3. Сопоставление расчетных и экспериментально полученных характеристик сопла с ЭУТ.

Выводы по главе.

Глава 4. Оценка эффективности применения эжекторного увеличителя тяги. ^

4.1. Определение коэффициента увеличения тяги 8.

4.2. Определение коэффициента эжекции п.

Выводы по главе.

Выводы по диссертации. 14$

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование эжекторных усилителей тяги (ЭУТ)»

По мере своего развития воздушно-реактивные двигатели (ВРД) прошли большой путь, став господствующим типом двигателей не только в военной, по и в Гражданской авиации. Современные ВРД устанавливаются на летательных аппаратах самых разнообразных типов, включая вертолеты, дозвуковые и сверхзвуковые самолеты. Область применения воздушно-реактивных двигателей охватывает широкий диапазон дозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета [1, 37, 57, 58, 59].

Каждое новое поколение ВРД отличается от предшествующего существенным улучшением характеристик: тяговых (удельная тяга, лобовая тяга), экономических (удельный расход топлива), массовых (удельная масса). Наряду с улучшением основных относительных показателей двигателей характерным является непрерывный рост абсолютной тяги одного агрегата.

Основные тенденции развития ВРД - снижение их удельного веса, удельного расхода топлива и рост удельной тяги - обеспечиваются повышением общего уровня совершенства конструирования, улучшением технологии доводки и производства авиационных двигателей, внедрением новых, более эффективных материалов, правильным выбором основных режимов работы двигателя [20].

Новым и чрезвычайно перспективным направлением развития воздушного транспорта на местных авиалиниях является создание пассажирских самолетов вертикального взлета и посадки (СВВП). Обладая способностью вертикального взлета и посадки и одновременно большой крейсерской скоростью полета, самолеты ВВП способствуют эффективному решению сложных транспортных проблем связи труднодоступных районов страны с мощными транспортными магистралями, регулярной всепогодной эксплуатации, резкого сокращения непроюводительного "подъездного" времени современных аэропортов [30].

Одним ш путей повышения эффективности СВВП является использование эжекторных усилителей тяги (ЭУТ), обуславливающее возможность в условиях больших потребных подъемных тяг и аэродинамических см обеспечить их экономическую рентабельность по сравнению с пассажирскими самолетами обычных типов и конструкций. Принцип действия эжекторного усилителя тяги, основанный на присоединении к высокоиапориой вытекающей из газотурбинного двигателя (ГТД) струе газа больших масс окружающего воздуха, дает возможность несложными средствами значительно (на 40. 50% и более) увеличить тягу двигателя без затраты дополнительной энергии. Это позволяет также улучшить экономичность работы силовой установки на взлетно-посадочных режимах, практически решить проблему шума и неблагоприятного воздействия авиации на окружающую среду. Появляется возможность существенного облегчения конструкции самолета из-за отсутствия в эжекторе вращающихся и поступательно-движущихся масс. Улучшаются эксплуатационные характеристики самолетов.

В нашей стране и за рубежом ведутся многочисленные расчетные и экспериментальные исследования ЭУТ различных схем. Предлагаются различные варианты конструктивных решений, позволяющих значительно увеличить тягу ЭУТ при приемлемых осевых и габаритных размерах эжектора.

В настоящей работе рассматриваются различные методы исследования характеристик эжекторных усилителей тяги. Проводится оценка эффективности применения ЭУТ. Делается попытка решить проблему анализа и учета комплексного влияния конструктивных параметров на тяговую эффективность эжекторных устройств па основе изучения данных современных численных и экспериментальных исследований различных схем ЭУТ.

Целыо дашюй работы является создание инструмента для экспериментального исследования эжекторных усилителей тяги различных конструктивных схем.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Проведение модернизации экспериментальной установки на базе установки маятшисового типа, предназначенной для испытания моделей выходных устройств в стартовых условиях в широком диапазоне изменения давления на сопле.

2. Разработка методов измерения расходных и тяговых характеристик для различных типов выходных устройств на модернизованной экспериментальной установке.

3. Апробация методик и средств измерения па основании сопоставления результатов расчетного и экспериментального исследования расходных и тяговых характеристик простого суживающегося профилированного сопла.

4. Проведение расчетно-экспериментальных исследований сопла с эжекторным усилителем тяги с цилиндрической камерой смешения. Уточнение возможностей улучшения эффективности работы ЭУТ. Достоверность результатов работы обеспечивается удовлетворительным соответствием результатов численных расчетов экспериментальным данным; использованием различных независимых методов определения расходных и тяговых характеристик эжекторных усилителей тяги.

В работе получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:

1. Методы измерения расходных и тяговых характеристик для различных типов выходных устройств на модернизованной экспериментальной установке.

2. Результаты расчетных и экспериментальных исследований простого суживающегося профилированного сопла, как базы для дальнейших исследований эжекторных усилителей тяги.

3. Результаты расчетных и экспериментальных исследований расходных и тяговых характеристик сопла с ЭУТ выбранной схемы.

4. Результаты расчетно-теоретического исследования по уточнению возможностей улучшения характеристик эжекторных усилителей тяги различных схем за счет оптимизации их конструктивных параметров. Научные и практические результаты по различным разделам диссертации докладывались на научно-методической конференции "Проблемы разработки авиадвигателей и подготовки кадров в современных условиях" (Москва, МАИ, 2005), на семинаре на кафедре 201 "Двигатели ВРД" Московского авиационного института (государственного технического университета).

По теме диссертации опубликованы 2 статьи и 3 тезиса доклада.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Монахова, Вероника Павловна

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Разработана и создана установка для испытания эжекторных усилителей тяги на базе установки маятникового типа, предназначенная для испытания работы моделей выходных устройств в стартовых условиях.

2. Спроектированы, изготовлены и смонтированы модели эжектирующего сопла и сопла с эжекторным насадком с цилиндрической камерой смешения.

3. Использование на экспериментальной установке в качестве расходомерного устройства трубы Вентури и ее тарировка позволил измерять действительный расход воздуха, протекающий через установку, с точностью ~ ±0,78%.

4. Разработана методика обработки экспериментальных данных при исследовании характеристик моделей суживающегося сопла и сопла с эжекторным насадком с цилиндрической камерой смешения.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЖЕКТИРУЮЩЕГО СОПЛА И ЭЖЕКТОРНОГО УВЕЛИЧИТЕЛЯ ТЯГИ

ЗЛ РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЖЕКТИРУЮЩЕГО СОПЛА

Для определения расходной и тяговой характеристик эжектирующего сопла в результате расчетов получили зависимости расхода воздуха через эжектирующее сопло Gcp и тяги сопла Рср от располагаемого перепада давления в сопле я* расп.

Для этого задаваясь различными значениями располагаемого перепада давления в сопле Яс.расп в интервале 1,0. 2,2, рассчитывали соответствующие каждому режиму работы эжектирующего сопла значения расхода воздуха Gcp и тяги сопла Рср в соответствии с методикой, изложенной в п. 2.4.1.

Результаты расчета расхода воздуха Gcp и тяги эжектирующего сопла Рср приведены в таблице 3.1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Монахова, Вероника Павловна, 2005 год

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. -888 с.

2. Авиационная акустика./Под ред. А. Г. Мунина и В. Е. Квитки. М.: Машиностроение, 1973.-448 с.

3. Диффузор эжектора. А.с. 673760 СССР МКИ F04F5/16/ Голбштейн В.И., Ковалев В.К. - № 2564725, заявлено 03.01.1978 - опубл. 15.17.1979.

4. Эжектор. А.с. 1209942 СССР МКИ F04F5/04/ Козак Р.В., Краснослободцев С.В., Лось В.Н., Павленко В.Е. - № 3793489, заявлено 31.08.1984-опубл. 07.02.1986.5. А.с. 1150410

5. Эжектор. А. с. 1143888 СССР МКИ F04F5/02/ Задонцев В.А., Манько И.К., Рыжков В.Н. - № 3600698, заявлено 15.04.1983 - опубл. 07.03.1985.

6. Вихревой эжектор. А.с. 640048 СССР МКИ F04F5/42/ Бобров В.В., Метенин В.И., Савельев С.Н. - № 2482108, заявлено 03.05.1977 -опубл. 30.12.1978.

7. Вихревой эжектор. А. с. 545776 СССР МКИ F04F5/42/ Метенин В.И., Бобров В.В., Савельев С.Н., Обмоин В.В., Бербенцев В.И. -№ 2123312, заявлено 09.04.1975 - опубл. 05.02.1977.

8. Газовый эжектор. А. с. 518576 СССР МКИ F04F5/16/ Байков B.C., Васильев Ю.Н., Мазин И.Н., Прочухаев М.В. - № 2118797, заявлено 28.03.1975 -опубл. 25.06.1976.

9. Струйный насос. А. с. 530115 СССР МКИ F04F5/48/ Панасюк A.M., Заболотный Ю.И., Новожилов С.В. - № 2090108, заявлено 31.12.1974 -опубл. 30.09.1976.

10. Эжектор. А. с. 1231279 СССР МКИ F04F5/48/ Козак Р.В., Краснослободцев С.В., Лось В.Н., Павленко В.Е. - № 3818801, заявлено 30.11.1984- опубл. 15.05.1986.12. А. с. 1164472

11. Многосопловой эжектор. А. с. 549600 СССР МКИ F04F5/04/ Спиридонов Е.К., Темнов В.К. - № 2125761, заявлено 18.04.1975 -опубл. 05.03.1977.

12. Многосопловой струйный эжектор. А. с. 415411 СССР МКИ F04F5/14/ Супрун В.М., Коротков B.C. - № 1752415/24, заявлено 28.11.1972- опубл. 15.11.1974, бюл. № 6.

13. Васильев Ю. Н. Теория сверхзвукового газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. Сб. статей "Лопаточные машины и струйные аппараты", вып. 2, -М.: Машиностроение, 1967.

14. Гаевская В. Н., Самойлова Н. В., Шумилкина Е. А. Экспериментальное исследование характеристик многосопловой схемы эжекторного увеличителя подъемной силы крыла самолета. Труды ЦАГИ, вып. 1958, 1978.

15. Ганич Г. А., Долгих Л. П., Жулев Ю. Г., Неймарк Р. В., Соснин Е. И. Экспериментальное исследование модели эжекторного увеличителя подъемной силы самолета. Труды ЦАГИ, вып. 1929, 1978.

16. Ганич Г. А., Жулев Ю. Г., Неймарк Р. В. Исследование характеристик модели крыла с эжекторным увеличителем подъемной силы. Труды ЦАГИ, вып. 2082, 1980.

17. Гиневский А. С. Теория турбулентных струй и следов. — М.: Машиностроение, 1969.

18. Голубев В. А. Двухконтурные авиационные двигатели: Теория, расчет и характеристики: Учеб. пособие. -М.: Изд-во МАИ, 1993. 168 с.

19. Голубев В.А., Крылов Б.А., Монахова В.П. Исследование эжекторных усилителей тяги (ЭУТ). Исследование эжекторных усилителей тяги

20. ЭУТ). II Теория воздушно-реактивных двигателей и их элементов. Тематический сборник трудов научно-методической конференции, посвященной 60-летию кафедры "Теория воздушно-реактивных двигателей" МАИ. Москва, МАИ, 2005. 73-80 с.

21. Голубев В.А., Монахова В.П. Расчетно-экспериментальное исследование эжекторных усилителей тяги (ЭУТ). Всероссийская научно-техническая конференция "Аэрокосмическая техника высоких технологий 2005". Тезисы. Рыбинск, 2005.

22. Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические хар-ки преобразования. ГОСТ 3044-84. -М.: Изд-во стандартов, 1987.

23. Григорян С. С. К теории газового эжектора. Теоретическая гидромеханика, 1954, №13, с. 3-12.

24. Дубинский М. Г. ВРД с эжектором. М.: Оборонгиз, 1950. - 18 с.

25. Ененков В. Г. Графоаналитический метод расчета эжекторов. Труды РКИИ ГА, Рига, 1967, вып. 116, с. 3-29.

26. Ененков В. Г. Снижение шума в эксплуатационных предприятиях гражданской авиации. Рига: Изд. РКИИ ГА, 1974. - 165 с.

27. Ененков В. Г. Экспериментальное исследование многощелевых атмосферных эжекторов. Труды РКИИ ГА, 1967, вып. №6, с. 30-92.

28. Ененков В. Г., Клячкин A. JL, Коротков В. С., Супрун В. М. Авиационные эжекторные усилители тяги. М.: Машиностроение, 1980.-135 с.

29. Жулев Ю. Г. К оценке эффективности ЭУТ и подъемной силы. -Труды ЦАГИ, 1983, вып. 2198, с. 3-11.

30. Жулев Ю. Г., Потапов Ю. Ф. Исследование влияния взаимного расположения сопла высоконапорного газа и камеры смешения на характеристики эжекторного усилителя тяги. Труды ЦАГИ, 1975, вып. 1665, с. 3-13.

31. Жулев Ю. Г., Потапов Ю. Ф. Исследование влияния геометрических параметров эжекторного увеличителя тяги на его эффективность. -Труды ЦАГИ, 1978, вып. 1958.

32. Жулев Ю. Г., Потапов Ю. Ф. Исследование эжекторного усилителя тяги с перфорированным соплом эжектирующего газа. Ученые записки ЦАГИ, 1977, т. VIII, № 4, с. 81-85.

33. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М.: Машиностроение, 1975.-559 с.

34. Кисилев Б. М. Расчет одноразмерных газовых течений. ПММ, 1947, вып. I, т. XI, с. 177-192.

35. Клячкин A. JI. Теория воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1969.

36. Коротков В. С. Экспериментальное исследование эжекторных усилителей тяги с дискретным периферийным выдувом активных струй. Труды ОЛАГА. Вопросы летной эксплуатации и повышение безопасности полетов. Л., 1973, вып. 54, с. 31-39.

37. Лашков Ю. А., Шумилкина Е. А. Экспериментальное исследование расходных и тяговых характеристик четырехсоплового эжектора с закруткой потока. Изв. АН СССР МЖГ, 1982, №4.

38. Миллионщиков М. Д., Рябинков Г. М. Газовые эжекторы больших скоростей. М.: БНИ ЦАГИ, 1948, 54 с.

39. Нечаев Ю. Н. Термодинамический анализ рабочего процесса пульсирующих детонационных двигателей- М.: Литера 2000, 2002.

40. Основные термины в области тиетрологии: словарь-справочник. Юдин М. Ф., Селиванов М. Н., Тищенко О. Ф., Скороходов А. И./Под ред. Ю. В. Тарбеева-М.: Изд-во Стандартов, 1989. 113 с.

41. Павленко В. Ф. Силовые установки летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. М.: Машиностроение, 1972. — 274 с.

42. Потапов Ю. Ф. Исследование влияния экрана на эффективность работы эжекторных увеличителей тяги. Труды ЦАГИ, 1983, вып. 2198, с. 12-21.

43. Потапов Ю. Ф. Экспериментальное исследование эжектора с кольцевым соплом эжектирующего газа. Труды ЦАГИ, 1983, вып. 2198.

44. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными суживающими устройствами: РД 50-213-80, Введ.01.07.82г. - М.: Изд-во Стандартов, 1982. - 332 с.

45. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.

46. Присоединение дополнительной массы в струйных аппаратах/Под ред. проф. А. В. Квасникова. Труды МАИ, М., Оборонгиз, 1958, вып. 97, 128 с.

47. Рейх Н. Н., Тупиченков А. А., Цейтлин В. Г. Метрологическое обеспечение производства: Учеб. пособие для ВИСМ/ Под ред. JI. К. Исаева М.: Изд-во Стандартов, 1987. - 248 с.

48. Рудзит Я. И., Плуталов В. Н. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении: Учеб. пособие для студентов приборостроительных специальностей вузов М.: Машиностроение, 1991.-304 с.

49. Самойлова Н. В. Расчет дозвукового увеличителя тяги. Труды ЦАГИ, 1982, вып. 2150.

50. Самойлова Н. В. Экспериментальное исследование эжекторного увеличителя подъемной силы. Труды ЦАГИ, 1983, вып. 2198.

51. Скубачевский Г. С. Авиационные ГТД. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981. - 586 с.

52. Соколов Е. Я., Зингер Н. М. Струйные аппараты. М.: Госэнергоиздат, 1960.-198 с.

53. Соенин Е. И. Теоретическое исследование характеристик эжекторного увеличителя реактивной силы. -Труды ЦАГИ, 1980, вып. 2082.

54. Таганов Г. И. К теории подсасывающего действия струи в поперечном потоке. Труды ЦАГИ, 1969, вып. 1172, 11 с.

55. Термогазодинамические расчеты авиационных ГТД/ А. М. Ахмедзянов, В. П. Алаторцев, С. Е. Аксельрод и др. Уфа: УАИ, 1982, 256 с.

56. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. Шляхтенко С. М. -М.: Машиностроение, 1987. 568 с.

57. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: учебник /В.И. Бакулев, В.А. Голубев, Б.А. Крылов и др., под редакцией В.А. Сосунова, В.М. Чепкина. Изд-во МАИ, 2003.-688 с.

58. Ханжонков В. И. Аэродинамические характеристики коллекторов. "Промышленная аэродинамика". Сборник №4, 1953 (ЦАГИ).

59. Харитонов В. Г. Исследование эффективности газового эжектора с цилиндрической камерой смешения. "Теплоэнергетика", №4, 1958.

60. Христианович С. А. и др. Прикладная газовая динамика, 1948, ч. II.

61. Христианович С. А. и др. Применение эжекторов в газосборных сетях. -Изв. АН СССР, ОШ, 1946, №3, с. 12-15.

62. Христианович С. А. О расчете эжектора. В кн.: Промышленная аэродинамика, БНТИ ЦАГИ, 1944, с. 8-11.

63. Шумилкина Е. А. Экспериментальное исследование влияния негерметичности оболочки эжектора на его характеристики. Труды ЦАГИ, 1982, вып. 2150.

64. Gilbert G. В., Hill P. G. Analysis and testing of two-dimentional slot nozzle ejectors with variable area-mixing sections. Cambridge, 1975, 24 p.

65. Hohenemser К. H. Preliminary analysis of a new type of thrust augmentor. Proceedings of 4-th U.S.National congress of Applied mechanics/American society of mechanical Engineer New York, 1962, p. 141-143.

66. Lockwood R. M. Pulse-reactor low cost lift-propulsion engines. AIAA General aviation aircraft design & operations meeting. Wichita, Kansas, 1964.

67. M. C. Reynolds J. The Hummingbird program. "SAE Preprint". №788, 8p.

68. Morrison R. Jet Ejector and Augmentation. NACA, 1942, 18 p.

69. Sanger E. Luftzumischung zu Abgasstrahl. Ingeniuer-Arch, 1950, H.5, B. XVIII, p. 32-35.

70. Van der Lingen. A jet Pump Design Theory. Journal of Basic Engineering XII, 1960. Transactions of ASME, p.66-71.

71. Whitaker R. An experimental Study into cold Ejector mixing duct loses for computerized design purposes. Cambridge, 1975, 18 p.