Диссертация (Методика выбора проектных параметров комбинированного пульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателем для малоразмерных БПЛА), страница 9

Изначально поршни находятся в нижней мертвой точке и камера сгораниянагнетателя пока еще не заполнена порцией топливной смеси.При подаче пускового рабочего тела в буферные цилиндры, рабочиепоршни перемещаются на встречу друг другу и одновременно с этим приводитсяв движение мембраны нагнетателя, идет процесс всасывания топливной смеси вподмембранное пространство.

При этом происходит захолаживание топливнойсмеси. Количество тепла, отобранное в процессе всасывания всас , можновсасвсасразделить на количество тепла стенкиМ , ушедшее в стенку мембраны, стенки О ,ушедшее в основание мембранного компрессора и тепло, потерянное привсаспрохождении входного отверстия вхотв .всасвсасвсасТаким образом всас = стенкиМ + стенки О + вх отв .48Рассмотрим эти составляющие подробнее:всасстенкиМ =гдеМММ(2всас − 1всас )М ,– отношение коэффициента теплопроводности стенки мембраны М кМтолщине стенки мембраны М ; М – площадь поверхности мембраны;всасстенкиО =гдеОООО(2всас − 1всас )О ,– отношение коэффициента теплопроводности основания мембраны О ктолщине основания мембраны О ; О – площадь основания мембраны.Затем в компрессоре происходит процесс сжатия топливной смеси ипроисходит сообщение количества тепла сжат .

При этом часть тепла топливнойсжатсмеси уходит в стенку мембраны стенкиМ , часть в основание мембранногосжаткомпрессора стенкиО и часть при прохождении выходного отверстия компрессорасжатвыхотв .сжатсжатсжатТаким образом сжат = стенкиМ + стенки О + вх отв .Рассмотрим эти составляющие подробнее:сжатстенкиМ =гдеММММ(2сжат − 1сжат )М ,– отношение коэффициента теплопроводности стенки мембраны М ктолщине стенки мембраны М ; М – площадь поверхности мембраны;сжатстенкиО =гдеОООО(2сжат − 1сжат )О ,– отношение коэффициента теплопроводности основания мембраны О ктолщине основания мембраны О ; О – площадь основания мембраны.Через выходное отверстие топливная смесь попадает в цилиндр. Придвижении поршня к верхней мертвой точке происходит сжатие топливной смеси вцилиндре и ее нагрев.

Тепло, образовавшееся в процессе сжатия и переданноетопливной смесью стенке цилиндра, обозначим через сжатия . При достижениипоршнем верхней мертвой точки, в цилиндре свободно поршневого нагнетателяпроисходитвоспламенениетопливной49смесииеесгорание.Тепло,образовавшееся в результате этого процесса сгорания , распределяется следующимобразом: часть тепла передается стенке цилиндра, часть уходит на нагревповерхности поршня и большая часть идет на совершение полезной работы. Затемпроисходит рабочий ход и начинается процесс продувки. Тепло, теряемое ДУ впроцессе продувки, обозначим через продувки .

В процессе продувки, стенкацилиндра и поверхность поршня охлаждаются продувочной смесью, отдавая ейнакопленное тепло, а так же значительная часть тепла забирают продуктысгорания. После продувки продукты сгорания попадают в эжекторный усилительтяги, где совершают полезную работу, а так же нагревают стенки эжектора.Выходя из эжектора высокотемпературные продукты сгорания, истекают исоздают реактивную тягу. Тепло, участвующее в этом процессе, обозначим черезЭУТ .

При этом часть тепла уходит на нагрев стенок эжектора, а частьвыбрасывается в окружающую среду с отработанными продуктами сгорания. Наэтом цикл работы завершается. При этом необходимо учесть, что часть теплатратится на нагрев элементов конструкции ДУ в процессе движения рабочего телапо ее тракту. Слагаемое, учитывающее это тепло, обозначим через ост .Таким образом, уравнение теплового баланса может быть записано вследующем виде: = всас + сжатия + сгорания +продувки + ЭУТ + ост ,где(2.6) – количество теплоты, вводимое в ДУ с топливной смесью заопределенный отрезок времени = ; – расход топливной смеси [кг/час]; – низшая теплота сгорания топлива [кДж/кг]; сжатия – количество теплоты,переданное топливной смеси при сжатии в цилиндре, а так же ушедшее на нагревстенки цилиндра в процессе сжатиясжатия = топл.смес.

+ стенки Ц1 .В свою очередьстенки Ц1 =ЦЦ(2 − 1 )Ц ,50гдеЦЦ– отношение коэффициента теплопроводности стенки цилиндра Ц ктолщине стенки цилиндра Ц ; (2 − 1 ) = Ц – температурный напор, Ц –площадь поверхности стенки цилиндра.сгорания – количества теплоты, образовавшееся в процессе сгораниятопливной смеси и совершившее полезную работу, а так же нагревшее стенкицилиндра и поверхность поршнясгорания = раб Ц + стенки Ц2 + поршня 1 .Количества теплоты, совершившее полезную работу раб Ц = ,где – эффективный КПД двигательной установки.Цстенки Ц2 =Ц(4 − 3 )Ц – количество тепла, ушедшее в стенку.поршпоршня 1 =порш(4 − 3 )порш – количество тепла, потраченное на нагревповерхность поршня, порш – площадь поверхности поршня.продувки–количествотеплоты,сообщенноепродувочнойсмесипродуктами сгорания и поверхностью цилиндра, имеемпродувки = пр.смес.1 + стенки Ц3 + поршня 2 ,где пр.смес.1 – количество тепла переданное продувочной смеси.пр.смес.1 = пр.смес.

(вых − вх )пр.смес.Здесь пр.смес. и пр.смес. – удельная теплоемкость и расход продувочнойсмеси; вых − вх – температура продувочной смеси на входе и выходе из камерысгорания. стенки Ц3 – количество тепла, которое стенка цилиндра отдала припродувке.стенки Ц3 =поршня 2–ЦЦ(6 − 5 )Ц .количествопродувочной смеси поршня 2 =тепла,поршпоршпреданноеповерхностьюпоршня(6 − 5 )порш .ЭУТ – количество тепла, переданное стенкам эжектора и унесенное приистечении продуктов сгорания51ЭУТ = стенки ЭУТ + пр.сгор. ,гдестенки ЭУТ =ЭУТЭУТ(9 − 8 )стенки ЭУТ ;ЭУТЭУТ–отношениекоэффициентатеплопроводности стенки ЭУТ ЭУТ к толщине стенки реактивного ЭУТ ЭУТ ;(9 − 8 ) = ЭУТ– температурный напор в ЭУТ; стенки ЭУТ – площадьповерхности стенки ЭУТ.пр.сгор. = +пр.смес [2 (2 )Г − 1 (1 ) ],где 1 и 2 – количество истекающих и втекающих газов в ЭУТ в кмолях на 1 кгсгоревшего топлива; 2 и 1 – мольные теплоемкости при постоянном давлениипродуктов сгорания и свежего заряда соответственно; Г – температура продуктовсгорания за ЭУТ; – температура продуктов сгорания на входе в эжектор; ост –остаточное количество теплоты, включающее в себя тепло, переданное рабочимтелом элементам конструкции в течение цикла, тепло, излучаемое поверхностямиДУ в окружающую среду и тепло, не учтенное в слагаемых уравнения тепловогобаланса рассмотренных выше.Таким образом, уравнение теплового баланса принимает вид: = топл.смес.

+ стенки Ц1 + раб Ц + стенки Ц2 + поршня 1 +пр.смес.1 ++стенки 3 + поршня 2 + стенки ЭУТ + пр.сгор. + ост .(2.7)Необходимо отметить, что на величину ост сильно влияет погрешностьопределения составляющих теплового баланса. Величины пр.смес.1 и пр.сгор.используют при расчете систем охлаждения и наддува. При этом анализируяконструкцию ДУ, следует сделать важное замечание о том, что данная ДУявляется саморегулирующейся. При изменении внешних параметров, напримератмосферного давления, что в свою очередь ведет к изменению пр.смес.1 , онаспособна гибко изменять режим работы (явление автоматического наддува) ипродолжать выполнять свои функции (изменение составляющих раб Ц и раб ЭУТ ).Это важное отличие от ДУ другого типа, которые эффективно работают только вузком коридоре параметров. Так же существенное влияние на авторегулированиепараметров работы оказывает тот факт, что в ДУ отсутствует кривошипно52шатунный механизм.

Благодаря этому отсутствуют косые напряжения, связанныес перекосом штока, и нет необходимости в уплотнительных кольцах, а так жесистема является уравновешенной. Отсутствие уплотнительных поршневыхколец, является особым преимуществом в малоразмерных ДУ. Так как даже еслив процессе работы будет иметь место утечка рабочего тела из цилиндра черезстык поршня и стенки цилиндра, это не приведет к остановке двигателя, так какэта утечка будет автоматически компенсироваться наддувом, что следует изанализа уравнения теплового баланса (рис. 2.5).Рис. 2.5. Схема теплового балансаДругой важной особенностью данной ДУ является способность внутреннегоохлаждения теплонапряженных узлов продувочной смесью. Часть тепла,полученного продувочной смесью пр.смес.1 в процессе прохождения тракта ДУ,затем используется при дожигании в камере сгорания, увеличивая количествотепла, использующегося для получения полезной работы раб КС .

Это в своюочередь увеличивает эффективность термодинамического цикла и общего КПДустановки.В виду того, что нахождение составляющих уравнения теплового балансапредставляет большую сложность, необходимо использовать численные методы(метод конечных разностей и интегральный метод) [25, 29]. Принимая в качествеграничных условий такие факторы, как конструктивное ограничение скоростипоршня, отсутствие скачков уплотнения в продувочных и выхлопных окнах и ихразмеры, температуры плавления стенок камер сгорания.

Принимая во внимание53все вышесказанное, можно говорить о векторном преобразовании тепла исоответственно о создании векторного метода теплового баланса.2.5.Методика тепло-термодинамического расчета комбинированногопульсирующего ВРД со свободнопоршневым нагнетателемАнализ существующих методов расчета свободнопоршневых системвыявил, что практически все авторы А.

С. Орлин, В. К. Кошкин, А. Д. Чаромскийиспользовали метод термодинамического расчета. За основу брался реальныйпрототип и на основе его рассчитывались конструктивные характеристикиустановки другого размера [40, 41, 42]. Создание методики расчета привело кнеобходимости коррекции расчетной базы. Для проведения расчета, в первуюочередь, необходимо определить параметры рабочего процесса.