Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с постоянной тенденцией повышения эффективных показателей ряда современных энергоустановок с воздушным охлаждением существует проблема повышенной теплонапряженности основных узлов и деталей, формирующих камеру сгорания. Таким тепловым установкам приходится работать на уровне предельно допустимых температурных нагрузок и теплонапряженности, что, в свою очередь, лимитирует их ресурс и надежность. Отсутствие универсальных теплообменных соотношений для расчета теплового состояния деталей энергоустановок воздушного охлаждения существенно затрудняет принятие проектных решений при разработке и совершенствовании как самих деталей, так и системы их охлаждения. Внедрение конечно-элементных моделей в практику проектирования также в значительной мере сдерживается отсутствием идентифицированных зависимостей для формирования граничных условий процессов теплопереноса в условиях вынужденной конвекции. Для повышения достоверности результатов численных экспериментов целесообразно получение таких соотношений для базового в своем классе объекта на основе комплексного теплотехнического эксперимента.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с основным научным направлением ВГТУ «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике» (приказ № 149-18.00-1 от 07.03.08), а также в рамках Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 г.г. на период до 2015 г.» и основных положений Концепции развития малой авиации и мер государственной поддержки по Поручению Президента Российской Федерации от 26 мая 2004 г. №Пр-866 (п.6) в части обеспечения силовыми агрегатами летательных аппаратов.
Основной целью диссертационной работы является получение на основе экспериментального исследования обобщенных соотношений по локальному теплообмену в деталях цилиндропоршневой группы энергоустановок воздушного охлаждения с последующей разработкой научно-обоснованных методов интенсификации теплоотдачи в системе охлаждения, обеспечивающих снижение теплонапряженности данного класса энергоустановок.
Исходя из поставленной цели работы и на основе анализа состояния вопроса были определены следующие задачи экспериментального и расчетно-теоретического исследования теплоотдачи, на границах деталей, формирующих камеру сгорания.
1. Провести измерение плотности тепловых потоков от газа в стенки камеры сгорания (КС) и исследование температурного состояния основных деталей цилиндропоршневой группы (ЦІИ') с оценкой влияния регулировочных параметров в полном диапазоне рабочих режимов базовой энергосиловой установки в условиях стендовых испытаний.
-
Получить уравнения подобия по расчету среднего за цикл коэффициента теплоотдачи от газа в стенки КС и установить зависимости по распределению удельных тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи по тепловоспринимающей поверхности КС, а также в межреберном канале системы воздушного охлаждения головки цилиндра
-
Сформировать комплекс идентифицированных граничных условий теплообмена для разработки математических моделей с целью расчета полей температур и температурных напряжений цилиндров и поршней энергосиловых установок с воздушным охлаждением в двух- и трехмерной постановке.
-
По результатам исследований теплового состояния деталей, теплоотдачи от газа в стенки КС и в системе охлаждения разработать мероприятия по совершенствованию системы воздушного охлаждения рассматриваемого типа энергоустановок и провести опытную проверку их эффективности.
Методы исследований основаны на теории теплотехнического эксперимента и теории теплообмена в условиях вынужденной конвекции. Научная новизна работы.
-
Получена идентифицированная для широкого класса энергоустановок воздушного охлаждения обобщенная зависимость для расчета средних по времени местных коэффициентов теплоотдачи от газа в стенки КС, представленная в классической критериальной Nu=A-Ren и матричной формах.
-
Получено уравнение подобия для расчета средних по времени и распределенных по длине межреберного канала головки цилиндра коэффициентов теплоотдачи.
-
Разработана методика оптимизации системы воздушного охлаждения по энергозатратам на продувку матрицы оребрения и уточнена общая методика расчета системы охлаждения рассматриваемого класса энергоустановок.
Достоверность результатов коррелирует с точностью проведения теплотехнического эксперимента. Адекватность критериальных соотношений оценивалась сопоставлением с экспериментом по общепринятым правилам регрессионного анализа.
Практическая ценность работы.
-
Разработана методика проведения комплексного теплотехнического эксперимента на базе полноразмерного АПД воздушного охлаждения М-14П.
-
Получены зависимости для расчета местной теплоотдачи от газа в стенки КС, а также в оребрении головки цилиндра, используемые для определения потребных параметров системы охлаждения АПД. Определена функциональная взаимосвязь средних и распределенных по поверхности КС параметров теплоотдачи. Установлены локальные температуры в местах, определяющих работоспособность основных деталей и определены границы возможного форсирования исследуемых двигателей по достижимой теплонапряженности.
-
Разработана уточненная инженерная методика расчета температурных полей деталей формирующих КС АГТД в двух- и трехмерной постановке с ГУ третьего рода и использованием для решения метода конечных элементов.
-
Разработана инженерная методика расчета оптимизированного оребрения головки цилиндра АПД с учетом технологических и конструктивных ограничений.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференции «Физико-технические проблемы энергетики, экологии и энергоресурсосбережения» (Воронеж, 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей» (Москва, 2005), X Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Москва-Сочи, 2005), V Международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2006), Российской конференции «Компьютерные технологии автоматизированного проектирования систем машиностроения и аэрокосмической техники» (Воронеж, 2005, 2006), Международной конференции - конкурсе инновационных проектов в сфере авиакосмических технологий и материалов (Королев, 2006), Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в ракетно-космической промышленности» (Москва, 2008), IV Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2008), 8-й конференции «Новые материалы и технологии в ракетно-космической и авиационной технике» (Королев, 2010).
Публикации. По материалам диссертации автором опубликовано 15 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве, и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: III- методика расчета радиационной составляющей теплообмена, /2, 5, 9, 14, 15/- результаты и анализ экспериментальных исследований теплопереноса в АПД типа М-14, /3, 4/- обоснование способа повышения эффективности охлаждения путем нанесения на ребра высокотеплопроводных покрытий, /6-8, 10-13,15/- методы и средства улучшения теплового состояния деталей ЦПГ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, приложения. Основная часть работы изложена на 149 страницах, включает 39 рисунков, 5 таблиц. Список использованной литературы содержит 170 наименований.
