Автореферат (Методика выбора проектных параметров комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА), страница 2

Постановка задачисследования, анализ основных проблем, методика определения проектныхпараметров и характеристик комбинированного пульсирующего ВРД сосвободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА, а так же расчеты исравнение расчетных данных с экспериментальными данными выполнены личносоискателем.Апробация результатов работы. Основные положения и результатыработы докладывались на следующих конференциях: на Международнойконференции «Новые рубежи авиационной науки» (Москва, 2007); на VI, VII иVIII Международной конференции «Авиация и космонавтика» (Москва, 2007,2008 и 2009); в рамках XVII Школы-семинара молодых ученых и специалистовпод руководством академика А.И.

Леонтьева «Проблемы газодинамики итепломассообмена в аэрокосмических технологиях» (г. Жуковский, 2009).Результаты работы внедрены и используются в учебном процессе накафедре 610 «Управление эксплуатацией ракетно-космических систем» ФГБОУВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)».Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, 2 статьи врецензируемых научных изданиях из Перечня ВАК Минобрнауки РФ [1, 2], 5патентов РФ на полезные модели [3 - 7], 5 тезисов докладов на Международныхконференциях [8 -12].Структура и содержание работы. Диссертационная работа состоит извведения, 4 глав, заключения и списка литературы из 90 наименований, изложенана 136 страницах машинописного текста, включающего 44 иллюстраций и 8таблиц.Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации,формулируются цели и задачи работы, проанализированы основные проблемысуществующих двигательных установок.

Отмечена научная новизна,теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Приведеныосновные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации результатовработы и описана структура диссертации.На основе проведенного анализа выявлены технические трудности созданияэффективных малоразмерных установок классических схем. Предложенаконструктивная схема комбинированной ДУ, лишенная указанных недостатков.В первой главе диссертационной работы рассматриваются общие вопросысуществующих малоразмерных авиационных двигателей применяемых на БПЛА,6обращается внимание на их характерные особенности, производится сравнениеВРД с двигателями других типов, определяются области оптимальногоприменения, исследуются недостатки современных двигательных установок.Проведенный анализ показывает что, определённый интерес представляетиспользование в качестве ДУ и ее элементов свободнопоршневых двигателей.Они лишены недостатков поршневых двигателей классических схем, не имеютмассивного кривошипа, а значит, лишены вибраций и колебаний, создаваемых им,уравновешены, экономичны и позволяют применять наддув.

Однако созданиемалоразмерного свободнопоршневого агрегата ограничивается необходимостьюприменять массивные инерционные буферные поршни – необходимые длягарантированного совершения обратного хода. А так же использование надежногомеханизма синхронизации, элементы которого имеют большие моменты.Внесение изменений в элементы конструкции и их облегчение, позволяетсохранить возможность использования свободнопоршневого двигателя в качествемалоразмерной ДУ.Одним из таких решений является отказ от массивных буферных поршней икомпенсация возвратного усилия, создаваемого ими, путем применения мембран.Таким образом, уменьшается масса ДУ с сохранением ее мощности ивозможности применения самонаддува. Ограничивающим фактором в этомслучае будет выступать лишь ресурс мембраны.В обзоре на основании работ академика А.М.

Люльки, академика Н.Д.Кузнецова, С.К. Туманского, В.А. Добрынина, академика В.Е. Алемасова, чл.корр. РАН А.П. Ваничева, О.И. Кудрина, В.Г. Власенко, Р.Б. Сейфетдинова и др.показано, что в указанных работах, несмотря на их фундаментальную значимость,не нашли отражение методики по обоснованию и выбору проектных параметровдвигательных установок для БПЛА.Вторая глава посвящена разработке методики определения основныхпроектных параметров комбинированного ПуВРД.

В начале главы представленаконструктивная схема комбинированного малоразмерного пульсирующего ВРД сподачей рабочего тела с помощью свободно поршневого нагнетателя в качествеДУ для малоразмерных БПЛА различного назначения.Выбор конструктивной схемы предлагаемой ДУ, был сделан на основеследующего вывода: решением задачи отсутствия эффективной ДУ длямалоразмерного БПЛА является переход к комбинированной силовой установке свнутренним охлаждением топливной смесью, содержащую СПН в качествеисточника рабочего тела, пульсирующую камеру сгорания с реактивным соплом иэжектором в качестве движителя и мембранный компрессор в качестве системынаддува.7Условием для их создания является максимальное использование ужесозданных методик расчета, технологических приемов и деталей поршневыхДВС.

Идеологической основой комбинированного пульсирующего ВРД являетсявозможность использования уравновешенного свободнопоршневого компрессора.Исследование существующих ДУ показало, что ни один из типов несоответствует в полной мере всем перечисленным требованиям. Концепциярешения лежит в плоскости создания высокоэкономичного и предельно легкогонагнетателя.

Им является комбинированный СПН, работающий напульсирующую камеру сгорания ВРД. Идеологической основой являетсяиспользование свободно поршневой техники в качестве системы подачикомпонентов в камеру сгорания, а так же расчет и построение характеристик ДУдля совмещения с проектным заданием на малоразмерный БПЛА.К этому имеются следующие предпосылки:а) обеспечиваются потребные расходы рабочего тела;б) реализуется цикл с высоким термическим КПД, обеспечивается низкийудельный расход топлива;в) отсутствуют детали кривошипно-шатунного механизма, чем достигаетсямалая масса, простота и надежность конструкции;г) эффективно сгорает топливо различных видов;д) полная конструктивная и динамическая уравновешенность.На рис. 1 изображен общий вид малоразмерного комбинированногопульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем, защищенныйпатентами [3 - 7].Рис.

1. Общий вид малоразмерногокомбинированного пульсирующегоВРД со свободнопоршневымнагнетателемНа рис. 2 и рис. 3 показаны виды двигательной установки сбоку и сверхусоответственно.8Рис. 2. Вид сбоку (разрез в плоскости симметрии): 1– корпус свободнопоршневого привода; 2 –мембраны; 3 – механизм синхронизации; 4 –поршневые группы; 5 – крепление мембраны кмеханизму синхронизации; 6 – буферные поршни; 7– рабочие поршни; 8 – буферные цилиндры; 9 –пусковые клапаны; 10 – заборные полости; 11 –выпускные окна; 12 – подмембранное пространство;13 – основаниеРис. 3.

Вид сверху (разрез):14 – патрубки; 15 –камера сгорания свободнопоршневогонагнетателя;16 – эжекторные усилители тяги; 17 – впускныеклапаныМалоразмерныйкомбинированныйпульсирующийВРДсосвободнопоршневым нагнетателем работает следующим образом.Сжатый воздух от внешнего источника, например из баллона, подаётсячерез пусковые клапана 9 в буферные цилиндры 8 и перемещает поршневыегруппы 4 навстречу друг другу.

При максимальном сближении рабочих поршней7 происходит самовоспламенение топливной смеси в камере сгораниясвободнопоршневого привода компрессора (коэффициент избытка окислителяпринимается α = (1÷1,3) за счет повышения температуры при сжатии (принципдизеля). Далее поршни 7 совершают рабочий ход, при котором с помощьюмеханизма синхронизации 3 происходит уменьшение объема под мембранами 2 иповышение давления топливовоздушной смеси в подмембранном пространстве12. Затем открываются впускные окна 10, через которые происходит заполнениекамеры сгорания 15 свободнопоршневого привода нагнетателя сжатой топливнойсмесью. При максимальном расхождении поршней 7, давление в буферныхцилиндрах 8 становится больше чем давление в камере сгорания 15 и происходитобратный ход поршней 7.

При обратном ходе поршней 7 (навстречу друг другу)мембраны 2 возвращаются в исходное положение, и одновременно открываютсявпускные клапаны 17. Подмембранное пространство 12 заполняется новой9порцией топливовоздушной смеси. При этом продукты сгорания выходят изкамеры сгорания 15 свободнопоршневого привода через выпускные окна 11 попатрубкам 14 в эжекторные усилители тяги 16 воздушно-реактивного двигателя,где, истекая через реактивное сопло, создают реактивную тягу. Затем циклповторяется вновь.Определяющим параметром любой тепловой установки, использующейхимическую энергию, является получение, трансформация, передача из блока вблок тепла, полученного в результате экзотермической реакции и егоиспользование для решения конечной программы, а так же его ограничение поабсолютным величинам, для защиты от тепловых нагрузок агрегатов и блоковдвигателя.С точки зрения выбора исходных параметров оптимальным источникомявляется труд профессора А.В.

Квасникова «Процессы и балансы в авиамоторныхустановках», в котором рассмотрено большое количество комбинированных ДУ,даны распределения теплоты и получаемые тяги.Рассматривая типы топлива для ДУ, из термодинамики следует, чтонаиболее эффективным будет использование газообразных компонентов,например водорода.Таким образом, уравнение теплового баланса может быть записано вследующем виде: = всас + сжатия + сгорания +продувки + ЭУТ + ост ,(1)где – количество теплоты, вводимое в двигательную установку с топливнойсмесью за определенный отрезок времени, = ; – расход топливнойсмеси [кг/час]; – низшая теплота сгорания топлива [кДж/кг].Слагаемые, приведённые в правой части уравнения, и будут основнымипроектными параметрами.

В соответствии с разработанной методикой тепловогобаланса под задачи получения комбинированного ПуВРД с большой степеньюэнерговыделения в камере сгорания и получения потребного расходавысокотемпературного рабочего тела уравновешенного двигателя до какого-топредела по массе поршневой группы, приходим к выводу, что движителемдолжно быть реактивное сопло периодичного пульсирующего поршневогодвигателя с нетрадиционно лёгкой поршневой группой с применением разработоквсейсуществующейпоршневойтехники.Максимальнаямощностьэнергоустановки ограничена рабочими диаметрами поршневой группы, ее массой,частотой работы.

Проработка проектных параметров ДУ ставит вопросы: порешению ограничения предельно допустимой окружной скорости 300-500 м/с, дляминимальных мощностей решение задачи максимальной частоты работы поршнясо скоростью до 30 м/с, конструктивное и технологическое решение вопросаухода от традиционных методов пружинно-кольцевого уплотнения и переход на10гладкую пару с уплотнением на газовом или жидкостном клине. А так же полныйуход от вращательных движений кривошипно-шатунного привода, использованиев атмосферных двигателях мембранной системы сжатия, с прямым безмассовымприводом от возвратно-поступательно движения облегченной поршневой группыи группы демпферного сжатия в цикле и использование синхронизирующихмеханизмов синхронизации движущихся поршней, циклически работающих безнагрузок сжатия.При формировании проектных параметров для такой системы необходимопривлечение всех доступных знаний в других областях науки и техники, особеннов области работы над рабочим телом, например, компрессорных, разноприводных систем.Использование рабочих методик и их последовательное объединениеметодом теплового баланса, позволяет построить схему первого приближенияразработки атмосферной реактивной установки пульсирующего типа спроектнымипараметрамивсас , сжатия , сгорания , продувки , ЭУТ , ост ,определяющими ее облик.При этом важно отметить, что реализация полного изохорного цикла даетвыигрыш в 15 % и необходимо стремиться организовать детонационное горение.Выбор критериев эффективности разрабатываемого комплекса ЛА по сутиявляется процессом формализации замысла проектанта, качественным иколичественным описанием его понимания вновь создаваемого комплекса ЛА.Ошибка при выборе и использовании критериев эффективности уже не можетбыть исправлена на последующих этапах создания нового комплекса ЛА,содержание которых – взаимная увязка характеристик ЛА и комплекса в целом,изготовление опытных образцов и их экспериментальная отработка (ЭО) дозаданной надежности, разумеется, без кардинальной переработки разработанныхконструкций составляющих частей.Критерий может рассматриваться как приближенное математическоеописание качеств БПЛА.