Совершенствование метода определения облика золотниковой камеры сгорания постоянного объема с исследованием ее характеристик тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Кувтырев, Дмитрий Владимирович

• Кувтырев, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кувтырев, Дмитрий Владимирович

Основные условные обозначения.

Введение.

1 Обзор публикаций. Постановка задачи исследования.

1.1 Обзор публикаций.

1.2 Постановка задачи исследования.

2 Объект исследования. Результаты экспериментов.

2.1 Золотниковая камера сгорания при постоянном объеме.

2.2 Экспериментальная камера сгорания при постоянном объеме всоставе стенда.

2.3 Экспериментальное исследование камеры сгорания.

2.4 Исследование вращающего момента на золотнике.

2.5 Выводы по разделу.

3 Математическая модель рабочих процессов, протекающих в золотниковой камере сгорания постоянного объема.

3.1 Допущения, начальные условия.

3.2 Анализ термодинамических процессов, протекающих в золотниковой камере сгорания.

3.3 Анализ теплового состояния, тепловой баланс золотниковой камеры сгорания.

3.4 Описание алгоритма расчета рабочих процессов в золотниковой камере сгорания при постоянном объеме—.

3.5 Адекватность расчетов выполненных на математической модели золотниковой камеры сгорания экспериментальным данным.

3.5.1 Оценка достоверности математической модели при определении теплового состояния стенки золотниковой камеры сгорания.

3.5.2 Сопоставление расчетов, выполненных на математической модели с экспериментальными данными, при протекании процесса газообмена в камере.

3.6 Выводы по разделу.

4 Проведение исследований рабочего процесса золотниковой камеры сгорания на математической модели при заданных условиях.

4.1 Цель исследований, выбор основных критериев.

4.2 Влияние размерности камеры сгорания на параметры рабочего процесса.

4.3 Влияние термодинамических параметров на характеристики рабочих процессов протекающих в золотниковой камере сгорания.

4.3.1 Влияние состава воздуха на входе в камеру.

4.3.2 Зависимость характеристик КС от частоты вращения золотника.

4.3.3 Влияние перепада давления на входе и выходе КС V=const.

4.4 Исследование теплового состояния камеры сгорания V=const

4.5 Сравнение камер периодического сгорания.

4.6 Выводы по разделу.

5 Применение математической модели камеры сгорания V=const при создании двигательных установок

5.1 Особенности применения математической модели при расчетах характеристик ПуВРД.

5.2 Пример расчетно-конструкторской разработки ПуВРД для

БЛА, как альтернативы малоразмерным ТРД.

5.3 Расчетно-конструкторская проработка турбостартера для запуска дизелей в условиях Севера.

5.4 Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование метода определения облика золотниковой камеры сгорания постоянного объема с исследованием ее характеристик»

Актуальность работы

Известно, что при равных степенях предварительного повышения давления воздуха 7ГК идеальный термодинамический цикл с подводом тепла при постоянном объеме (V=const) обладает большим термическим коэффициентом полезного действия (КПД), чем цикл при постоянном давлении (P=const). Преимущества цикла V=const пытались реализовать при создании газотурбинных установок (ГТУ) в XX веке ряд ученых: В. В. Караводин, Г. Хольцварт. В Германии разрабатывался пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) П. Шмидта, в СССР - ПуВРД В. Н. Челомея. При создании двигателей проявились их следующие основные недостатки.

1. Неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики, из-за прерывистого течения газа.

2. Низкая надежность двигательной установки, из-за сложной системы клапанов (определялась конструкцией камеры сгорания).

3. Неудовлетворительные значения удельного расхода топлива и тяги, в бескомпрессорных ПуВРД.

Эти недостатки, определившие задачи исследования и не позволившие реализовать преимущества цикла V=const, с одной стороны, и успехи в создании воздушно-реактивный двигателей (ВРД) при P=const (рост 7СК, Тг и КПД узлов), с другой стороны, привели к тому, что в настоящее время ВРД с циклом V=const серийно не производятся. Вместе с тем, замедление прогресса в создании традиционных ВРД при P=const, рост их стоимости, возникшая необходимость в силовых установках нового назначения, дешевых двигателях для беспилотных летательных аппаратов (БЛА), вызвали вновь интерес к циклу V=const. Решению проблем создания реактивных двигателей V=const способствуют возросшие возможности математического моделирования сложных пульсирующих рабочих процессов на современных ЭВМ, накопленный научно-технический задел. В последнее время возросло и количество публикаций, изобретений по этой теме.

Предложенная концепция золотниковой камеры сгорания (КС) постоянного объема (V=const) позволит решить ряд выше перечисленных проблем и повысить эффективность пульсирующих реактивных двигателей. Поэтому, проведенное исследование следует считать актуальным.

Цель работы

Совершенствование метода определения облика камеры сгорания с золотниковым газораспределительным устройством и анализ результатов ее экспериментального и расчетного исследования.

Задачи работы

1. Провести исследования золотниковой камеры на экспериментальном стенде для подтверждения ее работоспособности и оценки полученных параметров.

2. Разработать математическую модель и методику расчета золотниковой камеры сгорания, ее рабочих процессов и теплового состояния, с использованием полученных экспериментальных данных. Выполнить расчетные исследования золотниковой камеры.

3. Определить эффективность золотниковой камеры, по сравнению с другими камерами периодического сгорания и область ее применения.

Методы исследования

Для достижения поставленных задач использовались:

- данные по экспериментальным исследованиям камер периодического сгорания в Ml ТУ им. Баумана и ОКБ «Сокол» г. Казань;

- основы теории двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных двигателей (ГТД);

- материалы по созданию математических моделей.

Научная новизна работы

1. Посредством разработанной математической модели золотниковой камеры сгорания, адекватно описывающей рабочие процессы с учетом режимных и геометрических параметров, а также остаточных газов, теплообмена между стеками камеры и рабочим телом, усовершенствован метод определения ее облика.

2. Проведены экспериментальные исследования физической модели золотниковой камеры:

- показавшие удовлетворительное совпадение с расчетными данными;

- позволившие осуществить калильное воспламенение смеси и повысить характеристики камеры за счет напыления теплозащитного покрытия и установки стабилизаторов.

3. Численные исследования золотниковой камеры выявили, что:

- для улучшения ее характеристик при увеличении объема и частоты вращения необходимо увеличение диаметров проходных отверстий, угла опережения впрыска топлива и перепада давлений на входе и выходе камеры;

- возможна организация калильного воспламенения топливной смеси благодаря высокой, более 1000 К, температуре внутренней поверхности стенка теплозащитного покрытия;

- золотниковая камера имеет лучшие характеристики, чем рассматриваемые камеры периодического сгорания.

Практическая ценность

Экспериментальные данные и созданная математическая модель позволят сократить время разработки и доводки новой энергетической установки или пульсирующего двигателя, в которых применяется золотниковая камера сгорания V=const. Проведенные исследования золотниковой камеры сгорания показали ее высокие характеристики:

- организация сгорания топливной смеси при постоянном объеме;

- высокая частота рабочих пульсаций до 200 Гц;

- запуск при перепаде давлений на ней, ДР=0,001 МПа;

- возможность работы при температуре сгорания Т=2300 К.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при создании и доводке в ОАО «НПО «Сатурн» (г. Рыбинск) экспериментального образца пульсирующего воздушно реактивного двигателя (ПуВРД).

Апробация работы

Диссертационная работа, отдельные ее разделы и результаты докладывались и обсуждались на научных мероприятиях.

1. Заседаниях кафедры «Авиационные двигатели».

2. III Международном совещании по использованию энергоаккумули-рующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе, Москва, 2002 г.

3. Международных научно-технических конференциях, посвященных памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова 2001 и 2003 г., Самара.

4. Научных чтениях по авиации, посвященных памяти Н. Е. Жуковского, Москва, 2003 г.

5. Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов: «Современные проблемы аэрокосмической науки», Жуковский, 2002 г.

6. Всероссийской научно-технической конференции: «Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», Рыбинск, 2002 г.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Кувтырев, Дмитрий Владимирович

5.4 Выводы по разделу

В главе проанализированы примеры использования золотниковой камеры в энергодвигательных установках.

Расчетно-конструкторская проработка применения ПуВРД на базе золотниковой КС V=const для БЛА показала, что такой пульсирующий двигателшеет габариты близкие к габаритам современных МГТД;

- обладает лучшей на 30 % экономичностью и развивает большую скорость полета, чем бесклапанный ПуВРД разработанный в ОКБ «Сокол» (г. Казань);

- позволяет получить удельную тягу 750- 900 Н-с/кг, что больше чем у МГТД (500- 550 Н-с/кг);

- обладает более простой, а следовательно, и более дешевой конструкцией, по сравнению с МГТД.

Применение золотниковой камеры в качестве стартера позволит использовать ее единой для подогрева и раскрутки системы запуска дизелей мощностью до 500 кВт в условиях Севера, при стоимости системы не выше стоимости существующих систем запуска.

160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Технически реализована и исследована принципиально новая конструкция камеры сгорания с газораспределительным устройством золотникового типа, реализующая термодинамические преимущества процесса горения при постоянном объеме, отличающаяся, от ранее созданных камер периодического сгорания, простотой конструкции, малым удельным весом и высокой частотой циклов.

2. При экспериментальных исследованиях золотниковой камеры:

- продемонстрирована ее работоспособность в диапазоне частот вращения золотника от 2000 до 6000 мин"1, максимальная частота в эксперименте ограничивалась возможностями топливной аппаратуры;

- осуществлен запуск при низком перепаде давлений на камере равном АР=0,001 МПа, зафиксированное максимальное давление при сгорании 0.65 МПа;

- создаваемый в камере вращающий момент может быть использован для привода, как самого золотника, так и агрегатов, обеспечивающих работу камеры;

- показано, что применение стабилизатора пламени позволило повысить качество протекания процесса сгорания и, совместно с нанесенным теплозащитным покрытием на внутреннюю стенку камеры, обеспечить калильное воспламенение топливо-воздушной смеси.

3. Создана одномерная математическая модель камеры сгорания с газораспределительным устройством золотникового типа, основанная на допущениях: квазистационарности процессов, рабочее тело- идеальный газ, отсутствия диссоциации и утечек газов через уплотнения. Математическая модель золотниковой камеры позволяет определить облик камеры с учетом наличия остаточных газов и теплообмена между рабочим телом и стенкой камеры. Совпадение расчетных данных, полученных с помощью математической модели, с экспериментальными данными подтверждает ее адекватность.

4. Выполненные на математической модели исследования золотниковой камеры показали 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;

- 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;

- при применении опережения впрыска топлива в камеру она эффективней ранее разработанных камер периодического сгорания.

5. Расчетно-конструкторская проработка показала, что применение золотниковой камеры в пульсирующих реактивных двигателях позволит увеличить их экономичность на 30 % и расширить диапазон скоростей полета до значений числа Мп= 0,8 и выше. По сравнению с малогабаритными ТРД и ТРДЦ пульсирующий двигатель, на основе золотниковой камеры, при тех же габаритно-массовых характеристиках, имеет большую на 30— 40 % удельную тягу, значительно меньшую стоимость, что важно для БЛА, особенно разового применения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кувтырев, Дмитрий Владимирович, 2004 год

1. Вукалович М. П., Новиков И. И. Техническая термодинамика: Учебник для вузов.- М.: Энергия, 1968.

2. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок / Ю. С. Елисеев, Э. А. Манушин, В. Е. Михальцев и др.- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000 220 с.

3. Кудрин О. И. Исследование пульсирующего составного реактивного * сопла: Дис. канд. техн. наук.- М.: МАИ, 1951.

4. Кудрин О. И. Пульсирующие реактивное сопло с присоединением дополнительной массы: Межвуз. сб. науч. тр. М.: МАИ, 1958,- Вып. 97.

5. Отчет по НИР № 202-03П, лаб.202 (заключительный) МАИ; Руководитель О.И. Кудрин.- М., 1987.

6. Bohachevski I. О., Тогтеу М. D. Pulsed hidrojet propulsion // AIAA Pap. 1985.-п. 1416.7.3аявка 60-16426 Япония, МКИ7 F02 07/00, F02 C3/073. Вращающаяся камера сгорания ГТД / Такалюто Татэо (Япония); Заявл. 08.02.84; Опубл. 27.08.85.

7. Detonation pulse engine / Helman D., Shreever R. P., Eideman S. // AIAA Pap.-1986.-n. 1683.

8. Экспресс информация. Сер. Авиационная и ракетная техника // Силовые установки и оборудование.- М., 1992.— № 1694.

9. Расчетная модель пульсирующей камеры сгорания // Авиационные и ракетные двигатели: РЖ.- М., 1987. №4 - С. 7.

10. Гл. редактор Глушко В. П. Космонавтика. Энциклопедия.— М.: Советская экциклопедия, 1985.

11. Экспресс информация. Сер. Авиационное двигателестроение // Про-р. граммы создания и развития перспективных двигателей.- М.: ЦИАМ.— 2000.№ 16.-С. 3.

12. Paul Proctor ASI Hot-Fires PDRE Powerplant I I Aviation week & space technology. 2000 - №17.- P. 17

13. Air @ Cosmos // Aviation Magazine International — 2000.- №11, 17701. P. 21.

14. Влияние акустического возмущения на горение в сверхзвуковом потоке // Авиационные и ракетные двигатели: РЖ ВИНИТИ — 2001. № 2.

15. Advances in Confined Detonations/ Edited by G.D, Roy, S.M. Frolov, R.I. Santoro and S.A. Tsyganov // TORUS PRESS Ltd.- 2002.

16. Потапова И. А. Исследование ГТД периодического сгорания с двух-клапанной камерой: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М.: МГТУ им. Баумана, 1995 18 с.

17. Эберг Г. Краткий справочник по физике — М., 1963.- 552 с.

18. А. с. 1192458 СССР, МКИ7 F 02 С 5/02. Камера сгорания для объемной машины / В. И. Богданов (Россия). Приор. 18.04.83; Зарег. 15.07.85.

19. А. с. 1067893 СССР, МКИ7 F 02 С 5/02 Камера сгорания газотурбинного двигателя / В. И. Богданов (Россия). Приор. 19.05.82; Зарег. 15.09.83.

20. А. с. 307914 СССР / В. И. Богданов, О. И. Кудрин. (Россия). Приор. 27.05.88; Зарег. 01.02.90.

21. А. с. 305816 СССР / В. И. Богданов, О. И. Кудрин. (Россия). Приор. 25.01.89; Зарег. 1.12.89.

22. А. с. 325131 СССР / В. И. Богданов, О. И. Кудрин. (Россия). Приор. 29.01.90; Зарег. 1.04.91.

23. Богданов В. И., Кудрин О. И. Положительное решение по заявке №494914/25/054489,1991.

24. Богданов В. И., Кудрин О. И., Семенов А. А. Положительное решение по заявке №4534747/25/10651, 1990.

25. Круглов М. Г., Меднов А. А. Газовая динамика комбинированных двигателей внутреннего сгорания.— М.: Машиностроение, 1988.— 320 с.

26. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.- 1977.- 572 с.

27. Кавтарадзе Р. 3. Локальный теплообмен в поршневых двигателях.-М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана 2001 - 592 с.

28. Г. А. Мухачев, В. К. Щукин Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. спец. вузов 3-е изд-во, перераб.- М.: Высш. шк., 1991— 479 с.

29. Анализ технического уровня и тенденции развития ДВС.- М.: НИИдвигателей-Информцентр, 1992.— Выпуск № 1.- 190 с.

30. Рабочий процесс высокооборотных дизелей малой мощности / Б. Н. Семенов, Е. П. Павлов, В. П. Концев.— Л.: Машиностроение. Ленигр. отд-ние, 1990- 239 с.

31. Автомобильные и тракторные двигатели. Теория двигателей и системы их топливоподач.- М.: Высш. школа, 1976.— 210 с.

32. Автомобильные двигатели с турбонаддувом / Н. С. Ханин, Э. В. Аболтан и др.- М.: Машиностроение, 1991.- 234 е.

33. Двигатели внутреннего сгорания: В 3 кн.: Кн. 1-3: Учебник для вузов / Под ред. В. Н. Луканина.- М.: Высш. шк., 1995.- 264 с.

34. Андреев В. И., Волин С. Н. Распределение смеси в карбюраторном двигателе.- М.: Машиностроение, 1966.- 74 с.

35. Иноземцев Н. В. Курс тепловых двигателей.— М.: Оборонгиз., 1952.

36. Основы физический и коллоидной химии: Учеб. пос. для студентов биолог.- хим. фак. пед ин-тов / Балезан С. А. и др.- М.: Просвещение, 1975.* 398 с.

37. Кузнецов В. В., Усть-Качкинцев В. Ф. Физическая и коллоидная химия: Учеб. пос. для вузов.- М.: Высш. шк., 1976 277 с.

38. Киреев В. А. Краткий курс физической химии.— 5-е изд., стереотип.- М.: Химия, 1978 624 с.

39. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. В 2-х ч. 4.2: Учеб.рук. для втузов М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991.- 304 с.

40. Бондарюк М. М., Ильяшенко С. М. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели.- М.: Гос. изд-во оборон, промыш., 1958— 392с.

41. Машунин Э. А., Михальцев В. Е., Чернобровкан А. П. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок.- М.: Машиностроение, 1977.- 447 с.

42. Ф 45 Болгарский А. В. Термодинамика и теплопередача. М.: Высш. шк.,1975.- 495с.

43. Хуциев А. И. Двигатели внутреннего сгорания с регулируемым процессом сжатия.— М.: Машиностроение, 1986.— 104 с.

44. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров / Пер. с англ.: Справочник.- М.: Атомиздат, 1979.- 216 с.

45. Нигматулин И. Н., Ценев В. А., Шляхин П. А. Тепловые двигатели.* М.: Высш. школа, 1974.- 316с.

46. Лариков Н.Н. Общая теплотехника: Учеб. для вузов.— М.: Изд-во литературы по стр-ву — 1966 — 446 с.

47. Чечеткин А. В., Занемонец Н. А. Теплотехника: Учеб. для хим.-технол. спец. вузов.- М.: Высш. шк., 1986.- 344с.

48. Основы теплотехники: Учеб. пос. для сред. проф. техн. училищ / В.

49. С. Охотин, В. Ф. Жидних, В. М. Ламыгин, Ф. Г. Саломзода.- М.: Высш. шк., 1984.-216 с.

50. Базаров И. П. Термодинамика: Учеб. пос. для ун-тов.- 2-е изд., пе-рераб и доп.- М.: Высш. шк., 1976.- 447 с.

51. Ю. М. Пчелкин. Камеры сгорания газотурбинных двигателей.- М.: Машиностроение, 1973.- 392 с.

52. Увеличение тяги пульсирующего реактивного сопла при помощи присоединеия атмосферного воздуха: Отчет о НИР (заключительный) / МАИ; Руководитель О. И. Кудрин, Е. В. Овсянников М., 1950.

53. Расчетное исследование ПуВРД в обеспечении повышения его тяговой эффективности: Отчет о НИР (заключительный) / ЦИАМ; Руководитель Ф. А. Слободкина.- Инв. № 12732 М., 2002 - 42 с.

54. Кудрин О. И. Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей: Описание открытия №314 // Вестник АН СССР, 1986.- № 10.

55. Влияние дожигания на тягу в пульсирующем реактивном патрубке: Отчет о НИР (заключительный) / МАИ; Руководитель О. И. Кудрин, П. В. Орехов-М., 1948.

56. R.I. Pegg, B.D. Couch, L. G. Hunter. Pulse Detonation Engine Air In-dukction System Analysis. AIAA PaP 1996- n. 2918.

57. Богданов В* И., Кувтырев Д. В. Физико-математическая модель рабочих процессов золотниковой камеры сгорания постоянного объема // ИФЖ. 2003 - Т. 76, № 5.- С. 71.

58. Богданов В. И., Кувтырев Д. В. Система запуска дизелей в условиях Севера на базе пульсирующего турбостартера //Двигателестроение.- 2003.— №4.- С. 28.

59. Кувтырев Д. В., Новиков И. Н. Оценка теплового состояния золотниковой камеры сгорания постоянного объема для ПуВРД // Новые технологические процессы и надежность ГТД- М.: ЦИАМ.- 2003.- С. 131.

60. Богданов В. И., Кувтырев Д. В., Новиков И. Н. Результаты экспериментальных исследований камеры сгорания V=const: Сб. статей III Междунар. сов. по проблемам энергоаккумул. и экологии в маш., энергетике и на транспорте.- М.: ВВИА им. Жуковского, 2002.

61. Кувтырев Д. В., Богданов В. И. Камера сгорания постоянного объема с самоприводящимся золотником для новых реактивных технологий // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Сб. статей Междунар. науч.-техн. конф.- Самара: СГАУ.- 2003.

62. Богданов В. И., Кувтырев Д. В. Концепция ПуВРД в классе тяги 15-25 кгс для БЛА как альтернатива ТРД // 6-е научные чтения, посвященные памяти проф. Н. Е. Жуковского: Тез. докл.- М., 2003.- С. 79.

63. Богданов В. И., Кувтырев Д. В. Особенности теплового состояния камеры сгорания V=const // Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. В 3-х ч- Рыбинск: РГАТА, 2002.- 4.1- С. 28.

64. Облик золотниковой камеры экспериментального ПуВРД полностью определен результатами расчетно-теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы Кувтырева Д.В.

65. При экспериментальных исследованиях золотниковой камеры в основном подтверждены результаты расчетно-теоретических исследований. Полученные результаты можно использовать при создании опытных образцов двигателей для БЛА.

66. Зам. генерального конструктора Зам. генерального конструктора1. А.С. Земсков Г.М. Конюхов

67. Главный конструктор-технический руководитель программы по созданию двигателей для БЛА1. П.Г. Ветров