Повышение эффективности пульсирующих реактивных двигателей

Известно, что при равных степенях предварительного повышения давления воздуха пк термодинамический цикл ВРД V=const обладает большим термическим КПД чем цикл P=const. Преимущества цикла V=const пытались реализовать в ГТУ в начале века ряд ученых: В. В. Караводин, Г. Хольцварт. В Германии производился ПуВРД П. Шмидта, в СССР — ПуВРД В. Н. Челомея. При создании двигателей проявились их следующие основные недостатки:

— неудовлетворительные габаритно-массовые характеристики из-за прерывистого течения газа и низкая надежность из-за сложной системы клапанов (определялись, в основном, камерой сгорания) — 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 V=const — с одной стороны и успехи в создании ВРД P=const (рост 7ГК, Тг и КПД узлов) — с другой стороны привели к тому, что в настоящее время ВРД V=const серийно не производятся. Вместе с тем, замедление прогресса в характеристиках традиционных ГТД P=const, рост их стоимости, возникшая необходимость в силовых установках нового назначения: разгонных двигателях для воздушно-космических самолетов, дешевых двигателях для беспилотных летательных аппаратов (БЛА) вызвали вновь интерес к циклу V=const. Проводятся также исследования и по созданию и пульсирующих ЖРД, в которых отпадает необходимость в конструктивно сложном турбонасосном агрегате. Решению проблем реактивных двигателей V=const способствуют возросшие возможности математического моделирования сложных пульсирующих рабочих процессов на современных ЭВМ, накопленный научно-технический задел. В последнее время возросло количество публикаций, изобретений по этой теме.

Проблемы реактивных двигателей V=const в основном пытаются решать оптимизацией известных конструктивных схем, однако этот подход пока не позволяет в полной мере реализовать преимущества цикла V=const. В данной работе делается попытка решить научно-техническую проблему улучшения габаритно-массовых и тяговых характеристик ПуВРД за счет комплексного применения новых конструктивных решенийвысокочастотной золотниковой камеры сгорания совместно с расширительными устройствами, признанными изобретениями и совершенствования рабочих процессов. Предложенные комплексные решения проблемы могут повысить эффективность энергодвигательных установок V=const и поэтому проведенное исследование следует считать актуальным.

Целью данного исследования является решение названной выше научно-технической проблемы за счет применения новых конструктивных решений в комплексе по камере сгорания с расширительными устройствами и совершенствования рабочих процессов.

Для достижения цели в работе решались следующие основные задачи:

1. Уточнение возможностей эффективной реализации термодинамических преимуществ цикла с подводом тепла при V=const.

2. Разработка и исследование высокочастотной камеры сгорания V=const (КС V=const) с самовращающимся золотником простой конструкции и высокой пропускной способностью на экспериментальной установке и с помощью физико-математической модели.

3. Проведение исследований в обеспечение повышения КПД процесса расширения за счет использования новых конструктивных решений и тягового КПД при совершенствовании процесса присоединения дополнительной массы (уменьшение потерь при взаимодействии масс при оптимальных параметрах рабочих пульсаций).

4. Схемно-концептуальная и конструктивная проработка, расчетное исследование двигателей, выполняемых на базе золотниковой камеры сгорания V=const и полученных результатах исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведенный анализ цикла V=const с охлаждением воздуха при сжатии и регенерацией тепла при использовании предлагаемых конструктивных решений показал принципиальную возможность достижения эффективного КПД г|е= 0,6 при достигнутых КПД узлов.

2. Создана золотниковая КС V=const нового типа (физико-математическая модель рабочих процессов и теплового состояния, экспериментальная установка).

Исследования, проведенные на физико-математической модели КС V=const и экспериментальной установке с учетом разработанных мероприятий по совершенствованию рабочих процессов, показали высокий уровень характеристик камеры:

— запуск камеры при перепаде давлений на ней, АР=0,001 Мпа;

— частота рабочих пульсаций может достигать 200Гц;

— возможность работы при температуре сгорания Tz=2900K;

— достаточная эффективность лабиринтных уплотнений между золотником и корпусом;

— самовоспламенение топливовоздушной смеси на основных рабочих режимах.

3. Расчетными исследованиями с использованием численных методов впервые установлена возможность полного расширения высоконапорной нестационарной газовой струи в сопле с центральным телом с уровнем потерь тяги на нерасчетность режима работы сопла — 6%.

4. При расчетных и экспериментальных исследованиях взаимодействия высокочастотного ПуРД с окружающей средой получены новые данные:

— при пульсирующем истечении газа из сопла ПуРД без эжекторного канала имеет место присоединение дополнительной массы, значительно повышающее тягу двигателя;

— в отдельных случаях (высокая частота и малая скважность рабочих пульсаций) возможно использование части отработанной выхлопной струи газа в качестве присоединенной массыпри использовании эжекторного усилителя тяги получен высокий прирост тяги с коэффициентом усиления, равном 2,6 при коэффициенте эжекции, равном 6,8.

5. Проведенная схемно-концептуальная и конструктивная проработка двигателей, выполняемых на базе новых конструктивных решенийзолотниковой камеры сгорания в комплексе с расширительными устройствами, показала возможность повышения экономичности в ГТД V=const по сравнению с ГТД P=const на 25.40% (в зависимости от значения 7ск) и качественного упрощения конструкции двигателей для БЛА по сравнению с ТРД при тех же габаритах и экономичности.

Рассмотренные энергодвигательные установки с предлагаемыми решениями проблем цикла V=const и эффективной реализацией его преимуществ могут в ряде случаев стать альтернативой установкам P=const.

Результаты работы использованы при создании в ОАО"НПО"Сатурн" (г. Рыбинск) экспериментального образца ПуВРД и при создании выносной камеры сгорания перспективного многотопливного ДВС, разрабатываемого в ОАО «АДС» (г. Заволжье).

Основные положения диссертации обсуждались на заседании кафедры 202 МАИ, на семинарах в МГТУ им. Баумана, в ВАТУ, в НПО Машиностроенияна НТС в ЦИАМна 20-ом Международном конгрессе по естественным наукам в области аэронавтики, Италия, 1996 г.- на XI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели», г. Москва, 2000 г.- на II и III Международных совещаниях по использованию энергоаккумулирующих веществ в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе, Москва, 2000 — 2002 г. г.- на Всероссийской научно-технической конференции, г. Рыбинск, 2002 г.- на Международной научной конференции «Двигатели XXI века», г. Москва, 2002 г.- на IV Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях, г. Санкт-Петербург, 2002 г.- на Международной научно-технической конференции, посвященной памяти генерального конструктора аэрокосмической техники академика Н. Д. Кузнецова, Самара, 2001 — 2003 г. г.- на научных чтениях по авиации, посвященных памяти Н. Е. Жуковского, г. Москва, 2003 г. на Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Современные проблемы аэрокосмической науки», г. Жуковский, 2002 г.

Достоверность результатов работы обеспечена: удовлетворительным соответствием результатов численных расчетов экспериментальным даннымиспользованием широко апробированных современных математических моделей нестационарных течений.

Основные результаты исследования изложены в 36 печатных работах, получено 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Содержит 298 страниц основного текста, 117. рисунков, 1 фотографию, 9 страниц со списком литературы, включающего 98 наименований.

Выводы.

1. Обоснована целесообразность проведения исследований по созданию пульсирующих реактивных двигателей повышенной эффективности. Уточнены возможности эффективной реализации преимуществ цикла с подводом тепла при V=const. Получены формулы термического и эффективного КПД (% т]е) сложных циклов V=const с охлаждением воздуха на сжатии и регенерацией тепла. Расчетно-теоретическим исследованием показана возможность достижения ге уровня О, 6 в данном цикле.

2. Создана физико-математическая модель рабочих процессов камеры сгорания V=const и ее теплового состояния. Проведенные исследования физико-математической модели, расчетные исследования конструкции камеры показали:

— возможность работы с высокой частотой циклов (до 200 Гц) — достаточную эффективность лабиринтных уплотнений в золотниковом устройстведля камеры объемом более 250 см³ потери давления в камере составлять менее 5%;

— при наличии теплозащитных покрытий с рабочей температурой поверхности tpa6=1200oC в камере сгорания возможна ее работа при температуре сгорания Tz =2900К. При этом теплоотвод в систему охлаждения составляет ~ 7% от выделившегося при сгорании тепла.

3. Созданы камера сгорания V=const с газораспределительным устройством золотникового типа и стенд для проведения ее испытаний. При испытаниях камеры сгорания на стенде :

— продемонстрирована ее работоспособность во всем диапазоне частот вращения — до 6000 об/мин (100 Гц), ограниченной возможностями топливной аппаратуры;

— обеспечен запуск при низком перепаде давлений на камере,.

ДР=0,001 МПа и самовоспламенение топливовоздушной смеси (с отключенной свечой зажигания) на основных режимах;

— подтверждена целесообразность выбора лабиринтного уплотнения между золотником и корпусом, которое обеспечило малые утечки;

— получен вращающий момент на золотнике, создаваемый реактивной силой струи, направление которой задавалось соплом в золотнике и направляющими аппаратами в выходном устройствемомент может быть использован для привода как самого золотника, так и агрегатов;

— проведена отработка конструктивных решений элементов камеры (конструкции свечи зажигания, стабилизаторов пламени, термозащитного покрытия и др.) для повышения эффективности процесса сгорания;

— достигнуто соответствие экспериментальных данных расчетным.

4. Расчетным исследованием с использованием современных численных методов,. обоснована возможность полного расширения высоконапорной нестационарной газовой струи в сопле с центральным телом с уровнем потери тяги, вызванной нерасчетностью режима его работы — 6%.

5. Расчетными и экспериментальными исследованиями взаимодействия высокочастотного ПуРД с окружающей средой установлено:

— при пульсирующем истечении газа как из сопла ПуРД (без эжекторного канала), так и из эжекторного канала, имеет место присоединение дополнительной массы, повышающее тягу двигателя, возможно частичное использование отработанной выхлопной струи газа в качестве присоединенной массы;

— при использовании эжекторного усилителя тяги получен прирост тяги с коэффициентом усиления Ку=2,6 (измеренный коэффициент эжекции Ц=6,8).

6. Расчетно-конструкторская проработка показала, что ПуВРД на базе камеры сгорания V=const:

— может быть альтернативой комбинированной силовой установке, состоящей из ТРДФ и ПВРД, т.к. в диапазоне скоростей полета от «О» до М=4,0 ПуВРД имеет примерно такие же значения и Суд;

— по сравнению с малогабаритными ТРД при тех же габаритно-массовых характеристиках имеет значительно меньшую стоимость, что важно для БЛА, особенно разового применения;

7. Определена целесообразность использования в ГТД V=const с золотниковой камерой сгорания объемной расширительной машины с КПД на уровне ~ 0,85 вместо турбины высокого давления. При этом, по сравнению с традиционными ГТД Р= const удельный расход горючего может снизиться не менее чем на 25.40% (в зависимости от пк).

8. Рассмотрена целесообразность использования камеры сгорания с соплом в золотнике, с направляющими аппаратами в выходном устройстве для малогабаритного ГТД мощностью 20. 100 кВт с ожидаемым расчетным повышением экономичности на ~ 40% (при тгк=4). Выполняемый по этой схеме турбостартер, по предварительной оценке, может иметь при простой конструкции надежный запуск на тяжелом горючем (типа керосина) при низких температурах, до -50°С.

9. В результате выполненного исследования решены главные задачи, составляющие научно-техническую проблему применения в реактивных двигателях термодинамически высокоэффективного пульсирующего рабочего процесса. Выполненные разработки нашли практическую реализацию в экспериментальных образцах двигателей и могут быть использованы при создании опытных двигателей.