Введение к работе
з
Актуальность работы. Реактивные двигатели с камерой периодического сгорания для летательных аппаратов (ЛА), использующие термодинамически высокоэффективный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Гемфри), издавна привлекали внимание исследователей. В цикле Гемфри заложена возможность значительного повышения давления в процессе сгорания топлива, вследствие чего либо совсем не требуется сжатие воздуха, либо можно ограничиться применением компрессора со значительно меньшей степенью повышения давления 7ГК , чем у газотурбинных двигателей (ГТД), использующих цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Брайтона). При этом, как показали результаты теоретических исследований, переход от цикла Брайтона к циклу Гемфри может обеспечить повышение термического КПД цикла на 15...40 % в зависимости от лк .
В 1908 г. русским инженером В.В. Караводиным, одним из первых, запатентована, построена и испытана газотурбинная установка (ГТУ) периодического сгорания. До 1925 г. в Германии ряд опытных ГТУ периодического сгорания был создан Г. Хольцвартом. В 1930 г. одноклапанная камера сгорания резонансного типа разработана П. Шмидтом для пульсирующего реактивного двигателя. Впоследствии она была применена на беспилотных самолетах-снарядах "Фау-1". Несмотря на высокие для того времени параметры, такие двигатели имели ряд недостатков:
неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики (в частности, низкая лобовая тяга) из-за прерывистого течения газа и низкая надежность из-за сложной системы клапанов;
низкий КПД процесса расширения в сопле или турбине из-за пульсирующего течения газа.
Эти недостатки, определившие научно-техническую проблему и не позволившие реализовать преимущества цикла Гемфри - с одной стороны и успехи в создании реактивных двигателей, использующих цикл Брайтона (заключавшиеся, главным образом, в существенном усовершенствовании лопаточных машин), - с другой стороны привели к тому, что в настоящее время двигатели, использующие цикл Гемфри, серийно не производятся. Анализируя современное состояние развития авиадвигателестроения, необходимо отметить:
замедление прогресса в характеристиках реактивных двигателей, использующих цикл Брайтона;
рост стоимости научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию двигателей, а также их изготовления.
В связи с этим в качестве перспективного направления развития рассматриваются возможности разработки реактивных силовых установок периодического сгорания. Эти двигатели имеют простую конструкцию, низкую стоимость и могут использоваться в качестве силовых установок (тягой до 2 кН), в первую
очередь, на беспилотных ЛА специального назначения. Актуальность работы подтверждается исследовательскими работами, проводимыми Исследовательским центром Гленна НАСА и ведущими двигателестроительными компаниями, такими как Rolls-Royce, General Electric и Pratt & Whitney.
Целью работы является совершенствование золотниковой камеры периодического сгорания, в которой реализуется цикл с подводом теплоты при постоянном объеме, для повышения лобовой тяги пульсирующих реактивных двигателей.
Направление исследований
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- создание системы топливоподачи, обеспечивающей высокую частоту
вращения золотника (частоту рабочих пульсаций);
разработка и создание камеры периодического сгорания с четырехполо-стным золотником и дежурным факелом пламени;
исследование камеры периодического сгорания с самовращающимся че-тырехполостным золотником на экспериментальной установке;
разработка камеры периодического сгорания с продольным золотником; усовершенствование физико-математической модели рабочего процесса указанной камеры и проведение на ней расчетных исследований;
сравнительная оценка стоимости пульсирующего реактивного двигателя, выполненного на базе камеры периодического сгорания, и малоразмерных турбореактивных двигателей (ТРД);
- расчетно-исследовательские проработки двигателей, выполняемых на
базе камеры периодического сгорания, определение области их применения.
Методы исследований
Расчетно-теоретические исследования проводились с использованием сертифицированных программных комплексов Unigraphics NX, ANSYS, Delphi, Mathcad. Экспериментальные исследования проведены в ОАО «НПО«Сатурн».
Достоверность и обоснованность полученных результатов базируется на применении основных законов сохранения, подтверждается совпадением расчетных данных с опытными, полученными с использованием аттестованного измерительного оборудования, и результатами расчетных исследований, выполненных в ЦИАМ имени П.И. Баранова.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментальных исследований камеры периодического сгорания с низконапорной системой непрерывной подачи топлива.
Расчетное исследование камеры периодического сгорания с продольным золотником. Результаты исследования.
Расчетно-исследовательская проработка двигателя с камерой периодического сгорания с продольным золотником. Возможность реализации более высокого уровня лобовой тяги по сравнению с малоразмерными ТРД и сверхзвуковой скорости полета.
Научная новизна работы состоит в:
усовершенствовании физико-математической модели рабочего процесса камеры периодического сгорания с различными исполнениями золотника и результатах расчетного исследования, проведенного с помощью указанной модели;
полученных результатах экспериментальных исследований камеры периодического сгорания с самовращающимся четырехполостным золотником, на основе которых разработана камера периодического сгорания с продольным золотником для повышения лобовой тяги;
- в обосновании и экспериментальном подтверждении простой низконапорной системы непрерывной подачи топлива. Практическая полезность
Для проведения предварительных расчетов по определению облика камеры периодического сгорания с продольным золотником может быть использована усовершенствованная физико-математическая модель.
Возможность создания на базе разработанной камеры периодического сгорания с продольным самовращающимся золотником (патент Российской Федерации № 2440501) пульсирующего реактивного двигателя.
Конструкторские решения, отработанные на одно- и четырехполостной камерах сгорания, могут быть использованы в дальнейшем при создании подобных камер.
Апробация работы. Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 8-я международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009» (МАИ, 2009 г.); всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» (ЦИАМ им. П.И. Баранова, 2010 г.); XXXVI Академические чтения по космонавтике (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 г.).
Публикации
Список публикаций по теме диссертации содержит 10 наименований, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 - патент на изобретение
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 139 страницах и включает в себя 96 рисунков, 1 таблицу. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 68 наименований.
Похожие диссертации на Совершенствование золотниковой камеры периодического сгорания для повышения лобовой тяги пульсирующих реактивных двигателей
