Автореферат (Методика выбора проектных параметров комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА), страница 4

Верхний пределблизок к полученным в ТРДЦ КПД передачи энергии во второй контур. Большиезначения э соответствуют меньшим значениям .С учетом вышеизложенного, автором было выполнено расчетноеисследование экономичности ПуВРД с ЭУТ со следующими параметрами: =4...8; э = 0,6...0,8 для коэффициентов избытка воздуха α =1,0; 1,3; 1,6 и сравнениес малоразмерным ТРД (πк = 4; Тг = 1300К).Результаты исследования В. И.

Богданова представлены на рис. 6 в видезависимостей Ку от числа Мп для заданного диапазона ; э ; α. На рис. 7представлены результаты, полученные при применении той же методики расчетас использованием в качестве входных значений, значений комбинированногоПуВРД со свободнопоршневым нагнетателем. Из графиков следует сходныйхарактер зависимостей, что позволяет сделать вывод о корректности расчетаэжекторного усилителя тяги, выполненного на основании экспериментальныхисследований, имеет право на существование и показывает сходимостьрезультатов с экспериментальными данными.Методика апробирована в процессе расчета основных характеристикдвигательной установки.

Поскольку идеологической основой созданиякомбинированной ДУ являлось максимально возможное использование элементовуже существующих ДУ, то проверка достоверности методики тепловых балансовбыла элементарной задачей.240Ку, %μ=4μ=6μ=822020018016014012010000,10,20,30,40,50,60,70,80,9МпРис. 7. Влияние скорости полета на коэффициентусиления тяги Ку комбинированного пульсирующегоВРД свободнопоршневого мембранного нагнетателя(Н=0 м; α = 1; э = 0,6)Рис. 6. Влияние скорости полета на коэффициентусиления тяги Ку(Н=0 м; α = 1; э = 0,6)Условием для подтверждения достоверности полученных результатов,служило соответствие рассчитанных параметров (в частности, адиабатноймощности) параметрам реально существующих ДУ, элементы которыхиспользовались в конструкции.16В результате расчетов по разработанным методикам наиболее характерныезначения тяг для различных диаметров поршней представлены в таблице.ТаблицаРасчетные данные по вариантам исполнения малоразмерных БПЛАНаименованиепараметраДиаметрпоршня, мХод поршня,мДиаметрмембраны, мОбъемцилиндра,см3Масса ДУ, кгСкоростьпоршня, м/с10Расчетные данные по вариантам исполнения малоразмерных БПЛАВариант №1Вариант №2Вариант №3Вариант №4Вариант №50,02620,03650,04650,05650,06650,02400,03450,04400,05350,06300,14050,17340,21220,25770,311912,932536,080774,6841134,0665218,70240,68501,4000Тяга,НМощность,л.с.Расходгорючего,г/час315,746,96,796,88355,270,4209,18394,72511,43013,72,8600Тяга,НМощность,л.с.Расходгорючего,г/час31569,410,010,135510493,913,5394460,411716,9526,214020,3Мощность,л.с.Расходгорючего, г/час4,59158,5000Тяга,НМощность, л.с.Расходгорючего,г/час3151021415,035415313820,139446017325,152520830,113,4000Тяга,НМощность, л.с.Расходгорючего,г/часТяга,Н315108213142232235416232354335205293932164339344745925637459270544595595253074452532465524671В процессе расчетов определено, что условием, ограничивающим скоростьдвижения поршня, является скачок уплотнения, возникающий на продувочных ивыхлопных окнах.

Используя этот фактор и применяя метод тепловых балансов, свысокой точностью удается вычислить предельно-допустимую скорость поршня,определить геометрические размеры установки и ее составляющих: поршня,цилиндра и камеры сгорания, а также тягу, создаваемую ДУ на различныхвысотах полета.Как видно из графика (рис. 8), тяга, создаваемая малоразмернымпульсирующим ВРД со СПН, пропорциональна диаметру поршня СПН. Расчетвыполнен для значений скоростей поршня, не превышающих стандартныхзначений двигателей прототипов. Учитывая, что предложенные вышеконструктивные решения позволяют увеличить скорость поршня до 20-30 м/с прииспользовании керамических поршней с уплотнением по газовому клину, томожно утверждать о возможности получения дополнительного прироста тяги до30 % при той же массе ДУ. С ростом диаметра поршня, увеличивается и егомасса, а, следовательно, масса всей установки в целом, что негативно сказываетсяна удельной тяге ДУ.

Так же негативным фактором при увеличении диаметра,является необходимость применения уплотнительных поршневых колец, которыерезко сокращают ресурс двигателя и возможности регулирования скоростипоршня.171015202530800Тяга, Н600400200302000,030,040,05100,06Диаметр поршня, см0,07Скоростьпрошня,м/сРис. 8. Зависимость тяги комбинированногоПуВРД от диаметра поршня СПНСтепень охлаждениястенки, %Важно отметить влияние скорости продувки камеры СПН на охлаждениеего теплонагруженных элементов. Продувка должна осуществляться такимобразом, чтобы обеспечивать, с одной стороны, достаточное охлаждение узлов, а,с другой стороны, не создавать запирания продувочных окон.

В процессерасчетов было установлено, что граничным условием процесса продувки являетсяскорость звука, превышение которой влечет за собой появление скачкауплотнения на продувочных окнах. Ниже представлена зависимость изменениятемпературы стенки от скорости продувки воздухом (рис. 9).50403020100100200300330350Скорость продувки, м/сРис. 9. Зависимость степени охлаждениястенки камеры сгорания СПН от скоростипродувкиВажным фактором, определяющим характер продувки, являются так жегеометрические размеры продуваемых элементов конструкции и, в первуюочередь, размеры продувочных окон. В процессе конструктивной разработкинеобходимо решить задачу достижения оптимума:не имеет смысл увеличивать размеры ДУ в попытке увеличенияразмеров проходных сечений, т.

к. разработка в этом направлении приводит кувеличению массы конструкции, росту теплонапряжённости узлов и агрегатов, атакже к ухудшению общего теплового КПДпопытка уменьшения размеров ДУ с целью уменьшения её массыприводит к уменьшению размеров проходных сечений и в итоге делает невозможным эффективное внутреннее охлаждение продувкой и так же приводит куменьшению теплового КПД.В работе проведена верификация разработанной методики расчета наоснове сравнения полученных результатов с параметрами существующих ДВС.Принимая в качестве начальных параметров геометрические размеры поршневойгруппы существующего ДВС (диаметр и ход поршня) была рассчитана мощность181098765432108765432Мощность, л.с.Фактическая мощностьпрототипаРассчитанная мощность пометодикеОтклонение, %для модельного ряда двигателей.

Отклонение составило порядка 7-9 %, чтопозволяет говорить о достаточной сходимости результатов (рис. 10 и рис. 11).10Модель прототипаМодель прототипаРис. 10. Сравнение фактической и расчетноймощностей для каждого из прототиповРис. 11. Точность расчета мощности взависимости от модели двигателяНа основании вышесказанного можно сделать вывод, что использованиесуществующих деталей, серийно выпускаемых ДВС, в сочетании сконструкторскими решениями, а так же расчет с использованием методикитепловых балансов позволяет создать комбинированную двигательную установкуне менее эффективную по сравнению с существующими ДУ.Четвертая глава посвящена анализу полученных результатов.

В главеприведен анализ статических характеристик ДУ, рассмотрены тяговая, высотнаяи, дроссельные характеристики.Из проведенного анализа полученных результатов видно, что достоверностьподтверждается строгостью используемого математического аппарата, а такжеметодом сравнения параметров, полученных в результате расчета с параметрамисуществующих ДВС с погрешностью 5 -7 % при одинаковых исходных данных.На основании разработанной методики проведена оценка основныхпараметров ЛА со стартовой массой от 1 до 100 кг и показано, что предложенныйновый вариант комбинированной ДУ, обладает массовой эффективностью,сравнимой с известными разработками, и заслуживает дальнейшего болееполного исследования. На основании предварительного технико-экономическогоанализа БПЛА лёгкого класса показано, что предложенный вариантудовлетворяет всем основным требованиям современного этапа развития средстввыведения.С целью определения оптимального конструктивного облика ДУ проведенысравнения разных вариантов комбинированного ПуВРД с винтомоторной19Тяга комбинированного ПуВРДТяга винтомоторной ДУ80Масса комбинированного ПуВРДМасса винтомоторной ДУ604020110,084,564,053,543,032,522,014,910,16,800,7 1,4 2,9 8,5 13,4 16,8 21,2 25,4 29,5 39,7 55,04,69008007006005004003002001000Масса, кгТяга, Нпоршневой двигательной установкой, как наиболее распространённой ДУприменяемой на БПЛА массой до 100 кг.Получены следующие результаты.

Комбинированный ПуВРД позволяетполучить реактивную тягу на 15-20 % больше, чем соответствующая ейвинтомоторная установка той же массы (рис. 12). При этом важно отметить, чтовинтомоторная ДУ при тех же параметрах поршневой группы имеет площадьмиделя значительно большую по сравнению с комбинированным ПуВРД.В процессе расчета проектных параметров было проведено и сравнениемасс комбинированного ПуВРД и винтомоторной ДУ (рис. 13). Для егокорректности оценивались двигательные установки одинаковой мощности.Мощность, л.с.Масса ДУ, кгРис.12.

Сравнение тяги комбинированного ПуВРДи винтомоторной ДУ с одинаковыми поршневымигруппами для различных массРис. 13. Сравнение массы винтомоторнойи комбинированного ПуВРД различныхразмеров одинаковой мощностиВ результате было определено, что масса винтомоторной установки большепри одинаковой мощности и эта разница увеличивается с увеличением мощностиДУ. Это объясняется тем, что чем больше мощность ДУ, тем больше тепловая имеханическая нагрузка на ее конструкцию.