авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Структурный синтез пульсирующего детонационного реактивного двигателя

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Фролов Владимир Николаевич

СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО

ДЕТОНАЦИОННОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность: 05.07.05

«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки

летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук



Москва – 2010

Работа выполнена в Московском авиационном институте

(государственном техническом университете).

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Гаранин Игорь Васильевич
Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Козлов Александр Александрович
- кандидат технических наук Васильев Дмитрий Вячеславович
Ведущая организация: ОАО «КБ Электроприбор»

Защита состоится «____» _________________2010 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д212.125.08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993, г. Москва, А80, ГПС-3, Волоколамское шоссе, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Автореферат разослан «___» _________________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.125.08, профессор, д.т.н. Зуев Ю. В.

Общая характеристика работы

Актуальность. Современные авиационные двигатели, использующие сжигание топлива при постоянном давлении, практически достигли максимально возможного термодинамического совершенства. Одна из возможностей улучшения их характеристик может быть связана с использованием детонационного сжигания топлива.

Как известно, детонация практически мгновенный процесс с выделением тепловой энергии на длине соизмеримой с длиной свободного пробега молекул и сопровождающийся возникновением ударной волны. Такой процесс близок к адиабатному, протекающему без теплообмена с внешней средой при постоянном объеме. Анализ рабочего процесса показывает, что детонационное сжигание топлива термодинамически более выгодно, даже по сравнению с изохорическим. Использование детонационного сжигания топлива позволит, во-первых, упростить конструкцию двигателя путем либо исключения, либо существенного упрощения системы подачи топлива и, во-вторых, увеличение термодинамического КПД цикла для пульсирующих детонационных двигателей (ПДД) позволяет надеяться на получение более высокой топливной экономичности.

Хотя идея использования детонационного горения в двигателях и стационарных установках была высказана давно, систематических исследований по этой проблеме долгое время не проводилось. Выполненные, в основном в США в середине прошлого века, исследования показали, что для получения приемлемых тяговых характеристик необходимо сжигать топливо с частотой генерации детонационных волн не менее 100 гц.



В настоящее время в авиации самым перспективным направлением использования ПДД считается форсирование тяги двигателя. В одном из вариантов предлагается заменить существующие форсажные камеры в турбореактивных авиационных двигателях на трубчато-кольцевые камеры ПДД. Учитывая потенциально более высокую топливную экономичность ПДД по сравнению с традиционной форсажной камерой, их использование должно позволить существенно расширить маневренные показатели и увеличить дальность полета ЛА. Кроме того, рассматриваются возможности использования ПДД в качестве основного двигателя или в составе комбинированной силовой установки. В ракетной технике основное внимание уделяют изучению возможности замены дорогостоящих малогабаритных газотурбинных двигателей на воздушно-реактивные ПДД.

Однако практически во всех работах анализ характеристик ПДД рассматривается применительно к одиночному циклу, тогда как приемлемые удельные тяговые характеристики и полный КПД для различных движительных систем с ПДД достигается только при высокой частоте пульсаций.

Объектом исследования данной диссертации являются схема пульсирующего детонационного двигателя и анализ его составных частей.

Целью диссертационного исследования является решение задачи структурного синтеза в части выбора состава основных подсистем и элементов, а также оценка их эффективности и определение основных закономерностей изменения эффективности ПДД различных схем на основе расчетно-экспериментального исследования.

Достижение поставленной в работе цели обеспечивается решением следующих основных задач:

  1. Создан экспериментальный стенд для исследования инициирования детонационной волны и режимов работы камеры сгорания.
  2. Предложен и экспериментально подтвержден способ инициирования детонационной волны, обеспечивающий высокую частоту работы двигателя;
  3. На основе экспериментальных данных разработана математическая модель ПДД для анализа эффективности различных схем движителей в составе двигателя.

Методами решения задач являются численные методы для решения задач газовой динамики и методы системного анализа. Экспериментальное изучение объекта исследования обеспечивается модельным экспериментом.

На защиту выносятся:

  1. Модельный стенд для исследования газодинамического способа инициирования и режимов работы для различных топливных пар;
  2. Газодинамический способ инициирования детонационной волны в камере сгорания ПДД;
  3. Организация автоколебательного режима работы камеры сгорания с использованием газодинамического способа инициирования;
  4. Инженерная методика расчета характеристик ПДД для задач формирования облика двигателя;
  5. Результаты математического моделирования с использованием различных движительных систем.

Научная новизна. Разработан способ устойчивого инициирования детонационной волны и способ поддержания автоколебательного режима работы камеры сгорания ПДД. На модельном стенде экспериментально подтверждена его работоспособность на высоких частотах в режиме автоколебаний. Разработана методика расчета тяги ПДД для задач формирования облика двигателя.

Практическое значение. Разработана методика оценки основных характеристик ПДД на этапе проектирования для выбора геометрии камеры сгорания и оценки влияния движителей на характеристики ПДД.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями по инициированию детонационной волны, соответствием измеренной скорости детонационной волны оптическими датчиками и пьезоэлектрическими датчиками, значениям скоростей, полученных с помощью представленной методики расчета.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на двенадцатой международной научно-технической конференции –«МЭИ» г. Москва 2006, на конкурсе научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» г. Москва 2009, на заседаниях кафедры конструкции двигателей летательных аппаратов МАИ.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях [1,2] журналов, входящих в рекомендованный ВАКом Минобрнауки России перечень изданий, в сборниках тезисов докладов [3,4]. Выпущено два отчета о НИР.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 51 наименования. Текст работы изложен на 130 машинописных страницах, включает в себя 50 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна полученных результатов, приведены основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы проведен обзор литературы по ПДД, приведено сравнение термодинамических циклов, получивших наибольшее распространение в авиации и ракетно-космической технике, рассмотрены наиболее распространенные схемы ПДД, их особенности и проблемы. Большая часть работ, найденных в открытой литературе, посвящена исследованию инициированию и распространению детонационной волны, получению высоких значений КПД для одиночного цикла. При этом показано, что для функционирования схемы ПДД в качестве двигателя необходимо обеспечить приемлемые удельные тяговые характеристики, что возможно только при работе схемы ПДД с высокой частотой пульсаций. Исходя из этого, были сформулированы основные задачи данной работы по обеспечению инициирования детонационной волны с высокой частотой, в частности в режиме автоколебаний, и анализ характеристик различных движителей для высокочастотной камеры сгорания.

Во второй главе подробно рассмотрены два принципа инициирования детонационной волны в камере ПДД и конструкция исследовательских стендов. Описаны эксперименты и их анализ по инициированию детонационной волны с заданной частотой и в режиме автоколебаний в модельной камере сгорания, выявлены особенности, возникшие при испытаниях.

В рамках экспериментальной части данного исследования были решены следующие задачи:

  • получения детонационной волны и оценка параметров ее распространения для последующей проверки их соответствия параметрам самоподдерживающейся детонационной волны;
  • инициирования детонационной волны в камере сгорания с использованием распространенных топливных смесей: спирт-воздух и керосин-воздух;
  • организации работы камеры сгорания с высокой частотой пульсаций;
  • определения режимов работы камеры сгорания: режим автоколебаний и режим с инициированием детонационной волны с заданной частотой.

Для проведения модельных испытаний была выбрана опробованная во многих работах классическая схема ПДД, в которой камера сгорания представляет собой канал, закрытый с одной стороны тяговой стенкой и открытый с другой. Принципиальная схема установки с электроискровым инициированием детонационной волны приведена на рисунке 1.

 Принципиальная схема установки-0

Рисунок 1. Принципиальная схема установки электроискровым инициированием.

В качестве основного рабочего тела для исследования детонационных процессов использовалась воздушно-керосиновая смесь. Выбор керосина в качестве горючего обусловлен широким распространением его в авиационной и ракетной промышленности, высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками.

Для воспламенения смеси была применена непрямая система зажигания. В качестве топливной пары в камерах предварительного воспламенения использовалась бензо-воздушная смесь, так как для надежного воспламенения топливной смеси керосин-воздух требуется более мощный источник зажигания. Воспламенение паров бензина инициируется в трех камерах предварительного воспламенения свечой зажигания. Горящие газы истекают в рабочую часть, воспламеняя керосино-воздушную смесь в камере сгорания.

На основе проведенных экспериментов с использованием электроискрового способа инициирования посредством измерения скорости распространения фронта пламени (скорость распространения фронта пламени превышала местную скорость звука) было подтверждено существование детонационной волны в камере сгорания. Однако, на данной экспериментальной установке не удалось получить устойчивый переход дефлаграционного горения в детонационное в гладкой трубе. В камере сгорания не использовались турбулизаторы потока и препятствия (например, спираль Щелкина), которые наряду с сокращением преддетонационного расстояния и способствованию перехода горения в детонацию увеличивают гидравлическое сопротивление и осложняют циклическое заполнение камеры свежей топливной смесью.

Проведенная работа позволила выработать требования к конструкции элементов и установки в целом и определить режимы их совместной работы. Полученный опыт был применен для реализации высокочастотного инициирования детонационной волны в камере сгораний в режиме автоколебаний.





Принцип газодинамического инициирования топливной смеси интересен, прежде всего, тем, что позволяет организовать работу камеры сгорания в режиме автоколебаний. Данный режим обеспечивает высокую частоту пульсаций в камере. Наряду с этим газодинамическое инициирование ДВ обладает следующими преимуществами по сравнению с электроискровым способом инициирования.

Рассмотренная схема с электроискровым воспламенением имеет подвижные части и предусматривает наличие электрических частей, что снижает ее надежность и не гарантирует воспламенение смеси. В данной схеме с электроискровым воспламенением инициируется дефлаграционное горение, которое с некоторой задержкой переходит в детонацию, что уменьшает КПД двигателя, так как часть топлива сгорает не в детонационной волне и, следовательно, при более низком давлении. Переход горения в детонацию приводит к увеличению необходимой длины камеры сгорания (уменьшению частоты пульсаций). Выбор топлив сильно ограничен их способностью воспламеняться от электрического разряда, поэтому для инициирования многих топливных пар необходимы пусковые компоненты и система их подачи.

В рамках проведенной работы решена задача получения надежного инициирования широкой номенклатуры топливных композиций и получения большой частоты инициирования. Для решения данной задачи в качестве системы инициирования детонационной волны применено устройство, в основу которого взят принцип газодинамического воспламенения, разработанный в МАИ для воспламенения компонентов при запуске двигателя ЖРД, использующего различные топливные пары. Данный тип газодинамической форкамеры, основанный на эффекте Гартмана, был впервые успешно опробован для инициирования детонационной волны. Газодинамический воспламенитель выделяется следующими основными преимуществами: надежностью и возможностью многократных запусков. Воспламенитель (Рисунок 2) действует следующим образом: В воспламенительную камеру (1) через сопло неполного расширения (4) вдувается окислитель. Напротив сопла расположен резонатор (5), в котором в результате торможения возникают ударные волны. При этом температура окислителя значительно возрастает. При подаче в камеру(1) второго компонента он попадает в зону нагрева, при этом происходит воспламенение смеси. Воспламенение смеси в полости резонатора происходит исключительно вследствие её нагрева. Благодаря этому газодинамический воспламенитель способен производить факел пламени при любом соотношении компонентов, если это соотношение лежит внутри границ воспламенения, где топливные смеси способны поддерживать устойчивое пламя.

Вследствие большой тепловой мощности воспламенителя, а также того факта, что в форкамере возникают ударные волны, отраженные от дна резонатора, данный способ воспламенения оказался весьма эффективным для инициирования детонационных процессов в основной трубе.

Задача исследования инициирования детонационной волны с помощью газодинамического принципа воспламенения состояла в том, чтобы проверить возможность инициирования, исследовать режимы воспламенения, а также проверить возможность работы в режиме автоколебаний. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рисунке 3.

1- Воспламенительная камера; 2- Форсунка; 3- Штуцер для выпуска пламени; 4- Сопло; 5- Резонатор; 6- Камера сгорания.


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.