Метод проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів з підвищеним ресурсом механічного клапана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМ. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО

«ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ»

АВТОРЕФЕРАТ

МЕТОД ПРОЕКТУВАННЯ ПУЛЬСУЮЧИХ ПОВІТРЯНО-РЕАКТИВНИХ ДВИГУНІВ З ПІДВИЩЕНИМ РЕСУРСОМ МЕХАНІЧНОГО КЛАПАНА

На правах рукопису

Робота виконана на кафедрі ракетних двигунів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, с.н.с. Амброжевич Олександр Володимирович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», професор кафедри ракетних двигунів.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Доценко Володимир Миколайович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут », професор кафедри теоретичної механіки та машинознавства;

кандидат технічних наук Лапотко Василь Михайлович, Державне підприємство «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Прогрес» ім. академіка О.Г. Івченка, провідний інженер.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «22» 09 2011 г.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.062.02 Л.О. Базима

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації. Вирішення проблеми впевненого подолання вітрового знесення аеродинамічними літальними апаратами (ЛА) принципово залежить від масштабного чинника. На відміну від повнорозмірних літаків переважній більшості відомих зразків безпілотних літальних апаратів (БЛА) масою менше 100 кг і дальністю польоту не менше 100 км на даний момент властиві швидкості польоту в діапазоні 25...50 м/с. В умовах звичайного, встановленого метеорологічною статистикою посилення зустрічного і бокового вітру це означає нездатність до виконання польотних завдань і відповідні функціональні обмеження щодо застосування комплексів з БЛА. Це пояснюється пануючим у такому класі виглядом БЛА з гвинтокрилими двигунними установками (ДУ) зважаючи на масштабне виродження газотурбінних двигунів (ГТД) відповідного типорозміру. Найбільш прийнятним варіантом, необхідним для здійснення швидкісного польоту ДУ прямої реакції нині слід розглядати пульсуючий повітряно-реактивний двигун (ПуПРД), виходячи із принципово досяжних показників масо-габаритної досконалості та паливної економічності. Проте відомо дуже обмежене число прикладів реалізації в групі легких швидкісних БЛА з ПуПРД. Причина цього полягає в специфічних труднощах проектування такого роду об'єктів.

Незважаючи на простоту конструкції, ПуПРД, як теплова машина періодичної дії з хвильовим характером робочого процесу, і привабливим термодинамічним циклом вимагає специфічних підходів до проектування. У цей час досліджено безліч задач, в яких використано термодинамічні преференції циклу V=const, але крім поршневих двигунів ці спроби ніде більше не увінчалися успіхом. Наприклад, стосовно ГТД виявилися проблеми, пов'язані з перетворювачем енергії, у підкласі ПуПРД з механічним клапаном (МК) - з малим ресурсом автоматичного клапана, у безклапанних ПуПРД - знижена у декілька разів економічність порівняно з ПуПРД із МК.

У підкласі ПуПРД з механічним принципом циклічної ізоляції об'єму камери згоряння відкритим залишається питання живучості автоматичного клапана, який є головним чинником, що визначає ресурс двигуна.

Механічні клапани перших ПуПРД мали ресурс 20...30 хв, що цілком достатньо для одноразового розвідувального БЛА або БЛА - мішені. Є підстави вважати, що при використанні сучасних конструкційних матеріалів і методів досліджень ресурс клапанної решітки можна довести до 1 години, що дозволить застосовувати ПуПРД на повертаних БЛА.

Вказана проблематика породжує потребу в інструментарії, що забезпечує отримання достовірних амплітудно-фазово-частотних характеристик (АФЧХ) робочого процесу з трактуванням отриманих ефектів на основі адекватної фізичному оригіналу моделі коливального руху пелюстки автоматичного клапана. Стан фундаментальних розділів механіки та сучасні досягнення в галузі інформаційних технологій забезпечують необхідні для цього передумови. Включення в цикл проектування випереджаючих числових досліджень чинників аеропружності дозволяє знизити технічний ризик і вартість, а також підвищити якісний рівень розроблення.

Таким чином, задача створення спеціальних методів проектування ПуПРД малої тяги із заданими характеристиками на основі адекватних моделей коливальних процесів з газодинамічною та механічною факторизацією є цілком актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано на кафедрі 401 Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» у рамках НДР Г401-27/2006 «Технологія випереджаючих досліджень робочих процесів у повітряно-реактивних двигунах малих тяг» № Г/Р-0106U001055. Результати дисертації використані в НДОКР БЛА А-11 «Стриж» в НПC КБ «Взлет», а також упроваджені в навчальний процес кафедри 401 «ХАІ».

Метою дослідження є створення методу проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів малих тяг з підвищеним ресурсом механічних клапанних пристроїв із детермінованими АФЧХ і живучістю для забезпечення заданих показників економічності й ресурсу.

Задачі досліджень, що випливають з поставленої в роботі мети, зводились до такого:

проведення аналізу існуючих конструктивних рішень у класі двигунних установок з пульсуючими повітряно-реактивними двигунами малих тяг (ДУ с ПуПРД МТ);

створення метода вимірювань для натурного дослідження коливальних факторів робочого процесу ПуПРД;

оброблення і аналіз результатів натурного експерименту;

порівняльний аналіз математичних моделей коливального руху пружних елементів вузла клапана та вибір моделі, найбільш адекватної отриманим експериментальним даним;

розроблення алгоритму та програмного забезпечення для реалізації числового експерименту;

числове моделювання аеропружних коливань пелюстки клапана;

аналіз функціональних властивостей сортаменту матеріалів, придатних для виготовлення елементів конструкції ПуПРД.

Об'єкт дослідження - пульсуючий повітряно-реактивний двигун, що використовує механічний клапан.

Предмет дослідження - коливальні чинники робочого процесу пульсуючого повітряно-реактивного двигуна.

Методи дослідження - натурне дослідження коливальних процесів, математичне моделювання пружних коливань, матеріалознавчий аналіз, критеріальний аналіз, методи теорії експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше запропоновано метод проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів з підвищеним ресурсом механічного клапана, детермінованими амплітудно-фазово-частотними характеристиками і живучістю для забезпечення заданих показників економічності й ресурсу, виходячи з цільового призначення комплексу з безпілотним літальним апаратом.

Вперше запропоновано формування параметричного вигляду пульсуючого повітряно-реактивного двигуна з механічним клапаном виходячи із заданих функціональних властивостей безпілотного авіаційного комплексу на стадії технічної пропозиції.

Вперше розроблено математичну модель аеропружного клапана пульсуючого повітряно-реактивного двигуна адекватну проведеним експериментальним випробуванням на стадіях ескізного проекту, технічного проекту й випуску конструкторської документації.

Вперше запропоновано спосіб проведення цілеспрямованого експериментального доведення пульсуючого повітряно-реактивного двигуна з використанням акустичного методу дистанційної реєстрації амплітудно-фазово-частотних характеристик коливальних систем мотора з подальшим установленням резонансних частот аеропружних елементів конструкції двигуна на основі вейвлет- і Фур'є- аналізу спектра коливань з урахуванням властивостей конструкційних матеріалів на стадії стендових випробувань дослідного зразка.

Вперше запропоновано спосіб детермінованого доведення двигунної установки з пульсуючим повітряно-реактивним двигуном у складі транспортної компоненти безпілотного авіаційного комплексу на базі підтверджених тактико-технічних характеристик двигуна методом критеріальних оцінок на стадії льотно-конструкторських випробувань.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропонований метод проектування ПуПРД МТ, що використовують механічні клапани, забезпечує інтенсифікацію процесу розроблення шляхом якісного поліпшення та зниження ресурсоємності проектних робіт.

Програмно-апаратний комплекс для отримання АФЧХ є універсальним і може бути застосований до різних об'єктів техніки, де робочий процес супроводжується генерацією звукового сигналу.

Числове моделювання аеропружного руху пелюстки клапана дає можливість отримання апріорних уявлень про форму коливань та їх частотних характеристик, що дозволяє знизити рівень технічного ризику при проведенні довідних випробувань.

Метод проектування ПуПРД детерміновано забезпечує досягнення технічної досконалості об'єкта проектування на рівні відомих передових зразків у своєму класі. двигун механічний клапан ресурс

Особистий внесок здобувача.

Всі положення дисертаційного дослідження, які виносяться до захисту, розроблені здобувачем самостійно:

Проведено структурний аналіз масиву доступної інформації щодо характеристик існуючих двигунних установок з ПуПРД.

Запропоновано метод формування параметричного вигляду ПуПРД, який базується на підходах теорії подібності та випереджаючих числових досліджень з використанням аеропружних моделей механічного клапана.

Проведено порівняльний аналіз ряду математичних моделей коливального процесу автоматичного клапана ПуПРД, обґрунтовано вибір найбільш адекватних фізичному оригіналу.

Отримано числове рішення крайової задачі аеропружного руху пелюстки клапана, а також АФЧХ коливального процесу.

Розроблено програмно-апаратний інструментарій, що забезпечує дистанційну реєстрацію звукового сигналу ПуПРД і подальше його оброблення з метою отримання АФЧХ робочого процесу.

Здійснено експериментальне доведення ПуПРД з використанням акустичного методу отримання АФЧХ двигуна і елементів його конструкції з урахуванням властивостей конструкційних матеріалів.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення та результати дисертаційної роботи були подані на науково-технічних семінарах кафедри ракетних двигунів Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», а також на Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ» (м. Харків, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2007, 2008, 2009 рр.); Науково-технічній конференції молоді та студентства «Сучасні проблеми ракетно-космічної техніки і технології» (м. Харків, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», 2007, 2009 рр.); Науковій конференції «Новітні технології - для захисту повітряного простору» (Харківський університет Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба, 2010 р.); XIII Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції «Людина і космос» (м. Дніпропетровськ, НЦАОМ, 2011 р.).

Публікації.

За матеріалами дисертаційного дослідження опубліковано сім статей (дві статті підготовлені без співавторства) у профільних виданнях, які увійшли в затверджений перелік ВАК України, а також сім тез доповідей у збірниках матеріалів конференцій.

Структура і обсяг дисертації.

Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновку, додатку та списку використаних джерел.

Робота містить 147 сторінок, які включають 118 сторінок основного тексту, 87 рисунків (35 сторінок), 10 таблиць (3 сторінки) та додаток (6 сторінок). Список використаних джерел складається із 107 найменувань (10 сторінок).

Основний зміст роботи

У вступі дано обґрунтування актуальності теми дисертації, сформовано мету й задачі дослідження, відображено наукову новизну роботи та її практичну цінність.

У першому розділі наведено огляд бібліографічних джерел, присвячених тематиці дисертації. Подано аналіз ситуації, що склалася з двигунними установками (ДУ) малорозмірних безпілотних літальних апаратів (БЛА). За результатами аналізу наведено класифікацію клапанних пристроїв, які використовують у пульсуючих повітряно-реактивних двигунах (ПуПРД) (рис. 1).

Рис. 1. Класифікація клапанних пристроїв ПуПРД

Визначено основні чинники, які впливають на вибір запірного пристрою. Розглянуто різні випадки моделювання вузла запирання в ПуПРД і відповідних методів числового рішення.

На базі проведеного аналізу обґрунтовано викладені раніше цілі та задачі дисертаційної роботи, а також вибрані відповідні їм методи дослідження.

У другому розділі описано метод дослідного отримання і аналізу амплітудно-фазово-частотних характеристик (АФЧХ) робочого процесу в ПуПРД.

У цей час не існує систематизованого підходу до проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів із механічним клапаном, тому запропоновано комплексний підхід до проектування такого роду об'єктів. На рис. 2 показано структурну схему методу проектування ПуПРД з підвищеним ресурсом механічного клапана (МК).

Виникнення необхідності дослідження АФЧХ є типовим в процесі проектування різноманітних об'єктів техніки. Причому у багатьох випадках проблематичним виявляється розміщення первинних датчиків безпосередньо на об'єкті досліджень. Таким чином, виникає передумова до створення засобів вимірювання АФЧХ на основі принципу дистанційної реєстрації первинного сигналу, наприклад акустичного.

Запропонований автором дисертації метод вимірювання АФЧХ [1] реалізується на ординарній мультимедійній базі та не потребує використання будь-яких спеціальних апаратних засобів.

Рис. 2. Структурна схема методу проектування ПуПРД із МК

Для конфігурування системи вимірювань достатньо мати в наявності персональний комп'ютер (ПК) з інстальованою авторською програмою - аналізатором звуку, чи будь-яким іншим програмним продуктом, який має функцію аналізатора звукового спектра, наприклад «Sound Forge 5.0», і комп'ютерний мікрофон (чи звуковий запис досліджуваного сигналу) (рис. 3).

Рис. 3. Схема вимірювальної системи для отримання АФЧХ

Відповідно до цієї задачі розроблено програмний продукт, що дозволяє аналізувати звук, одержуючи частотне зведення, осцилограму і т.п.

За допомогою програми було отримано осцилограму звукового сигналу (рис. 4, а) і частотний спектр робочого процесу ПуПРД (рис. 4, б).

Рис. 4. Вікно програми оброблення первинного періодичного звукового сигналу (а) за допомогою перетворення Фур'є (б)

За допомогою перетворення Фур'є було зроблено аналіз згасаючих коливань пелюстки клапана (рис. 5, а), результат якого разом із вейвлет- перетворенням Хаара (рис. 5, б) отримано із використанням «MATHLAB».



Рис. 5. Результат обробки осцилограми згасаючих коливань пелюстки клапана за допомогою Фур'є- аналізу (а) та вейвлет- перетворення Хаара (б)

Для дослідження частоти роботи двигуна використовували відеозапис сталого режиму роботи ПуПРД. Як з'ясувалось, двигун може стало працювати на різних частотах залежно від складу пального в паливно-повітряній суміші (ППС) і механічних властивостей автоматичного клапана. І лише у разі збігу частот газодинамічного циклу і клапана забезпечується стабільний запуск і робота мотора.

У результаті проведення натурних випробувань були виділені основні частоти та гармоніки пелюстки клапана, що коливається [2]. Осцилограма коливань та її збільшений вигляд (рис. 6) свідчать про складний характер процесу руху пелюсткового клапана.

Рис. 6. Осцилограма коливань пелюстки клапана та її збільшений вигляд

У третьому розділі проведено моделювання коливальних аеропружних процесів пелюсткового клапана ПуПРД.



Рис. 7. Фур'є- аналіз коливань пелюстки клапана, розгорнутий у часі

Проведений Фур'є- аналіз звукового запису процесу коливань пелюстки клапана (рис. 7) показав, що основна гармоніка залишається сталою протягом всього часового проміжку, в той час як гармоніки вищих порядків із часом загасають.

Трактування вказаного ефекту може випливати із математичної моделі процесу осциляції пелюстки клапана [3].

У першому випадку використано підхід, який полягає в описі системи за допомогою узагальнених координат. Як узагальнену координату вибирають зміщення пластини у розрізі центру ваги. При цьому рівняння руху буде мати такий вигляд:

, (1)

де z - узагальнена координата; k - коефіцієнт жорсткості системи; - узагальнена маса; с - густина матеріалу, h, b - товщина та ширина пластинки.

У другому випадку математична модель процесу осциляції пелюстки клапана зводилась до опису вільних коливань пружного стержня у двовимірному просторі.

Рух пелюстки визначається функцією і описується рівнянням

, (2)

де z(x,t) - зміщення поверхні від рівноважного положення; S - площа поверхні; E - модуль пружності; J - момент інерції перерізу, с - густина матеріалу.

На лівому і правому кінцях балки задаються граничні умови і замикається система рівнянь початковими умовами.

У третьому випадку розглядалися малі коливання пружної пластини. Рух пластини визначається функцією та описується рівнянням

, (3)

де w(t,x,y) - зміщення поверхні пластини від положення рівноваги; D_h=Eh³/12(1-м²) - циліндрична жорсткість; h - товщина пластини.

На кромках пластини задовольняються граничні умови, що полягають у жорсткому затисненні на лівому кінці та у рівності нулю згинального моменту і перерізувальної сили на правому кінці пластини. Замикається система рівнянь початковими умовами.

На рис. 8 показано вирішення рівнянь (1) і (2) у формі графіків-зміщення центру ваги пластини. У першому випадку (рис. 8, а) модель передбачає прості гармонічні коливання.

У другому випадку результати числового моделювання дають уявлення про комплексно-гармонічний характер коливального руху пелюстки клапана (рис. 8, б). На основну частоту в коливальному процесі накладаються частоти більш високого порядку.

а б

Рис. 8. Зміщення клапана в перерізі центра ваги: а - модель в узагальнених координатах, б - модель пружного стержня

Рішення рівняння (3) отримано методом скінчених елементів. Результати моделювання показують, що крім подовжніх хвиль, які є суперпозицією хвиль різного порядку частот, спостерігаються і поперечні хвилі (рис. 9).

Рис. 9. Зміна форми пелюстки клапана при різних фазах коливального процесу (модель пружної пластини)

Для дослідження примусових коливань пелюстки клапана проводилося числове моделювання його руху від примусового навантаження [4].

Прогин пелюстки знаходять у вигляді

, (4)

де W_m,n - коефіцієнти, які підлягають визначенню, 0<m<M, 1<n<N; X_m, Y_n - відомі базисні функції, які являють собою лінійні комбінації поліномів Лежандра, що задовольняють граничні умови задачі:

Рис. 10. Модель пелюсткового клапана

1) жорстке защемлення на межі (рис. 10);

2) вільний край на межах, , , .

Для вирахування прогину застосовували енергетичний метод з використанням процедури Рітца.

Для знаходження власних форм коливань до повної енергії додається енергія масових сил. Одержане рівняння диференціюється по W_m,n, і вирішується узагальнена задача на власні значення.

Для прямокутного пелюсткового клапана показано першу (рис. 11, а), другу (рис. 11, б) та третю (рис. 11, в) форми коливань.

а б в

Рис. 11. (а) - перша, (б) - друга, (в) - третя форми коливань пелюсткового клапана

Для вирішення задачі про примусові коливання запишемо функцію прогину у вигляді

, (5)

де k=1,2,3,..., а w_k(x,y) - прогин, відповідний k - му індексу підсумовування. Після розкладання навантаження в ряд Фур'є по синусах, запишемо повну енергію по всій поверхні пластинки за період Т:

. (6)

Обмежуючи суму до k=K, знаходимо невідомі W_m,n з використанням процедури Рітца.

На рис. 12 показано рух точки на кромці клапану внаслідок прикладення одного імпульсного навантаження (а) і двох (б).



а б

Рис. 12. Еволюція точки на кромці клапана внаслідок прикладення одного імпульсного навантаження (а) і двох (б) ( - навантаження, - - рух точки кромки клапана)

У четвертому розділі розглядалися матеріалознавчі аспекти забезпечення надійності й ресурсу ПуПРД із механічним клапаном.

Живучість вузла клапана виявляється головним чинником, який визначає надійність і ресурс ПуПРД з МК. Як другий за значущістю елемент конструкції ПуПРД, слід виділити камеру внаслідок високої теплової напруженості в поєднанні з циклічними навантаженнями (рис. 13) [5].

Рис. 13. Температурні зони двигуна

Вибір матеріалу автоматичного клапана нерозривно пов'язаний з вибором матеріалу клапанної решітки через те, що перевага в будь-яких механічних властивостях одного з компонентів запірного вузла може призвести до швидкого виходу зі строю іншого. А оскільки ресурс визначається живучістю системи в цілому, то аналіз проводиться для пари «матеріал клапана - матеріал решітки».

Визначальними чинниками при виборі матеріалів пари є такі:

межа міцності (рис. 14);

робоча температура клапана та решітки;

ударна в'язкість матеріалів;

тривала міцність;

витривалість.

Рис. 14. Руйнування клапана ПуПРД

У результаті дослідження властивостей різноманітних сталей як матеріал клапана можна виділити пружинні сталі 36НХТЮ, 36НХТЮ5М і 36НХТЮ8М, котрі є корозійно- та теплостійкими, витримують температури 250...350єС, і сталь 50ХФА з робочою температурою до 300єС. Можливо також застосування аустенітних корозійностійких жароміцних сталей 08Х18Н10Т і 12Х18Н9Т, які зберігають пружні властивості до 450...500°С.

Найбільш доцільно використовувати як основний матеріал клапана сплави на основі титану. Матеріал ОТ 4-1 характеризується високою термічною стабільністю і не окрихчується при температурах до 300єС.

Із титанових сплавів тільки сплави ВТ9, ВТ14, ВТ16 і ОТ4 мають показник коефіцієнта ударної в'язкості (КУВ) того ж порядку, що і сплав ОТ4-1.

Клапанна решітка ПуПРД не піддається високим температурним навантаженням, оскільки штатне проходження робочого процесу циклічно супроводжується охолодженням паливно-повітряною сумішшю (ППС) і не пов'язано з протіканням крізь неї високотемпературних продуктів згоряння.

Із алюмінієвих сплавів слід відмітити Д16, Д19 і ВД17, що віднесені до жароміцних сплавів першої групи, а також Д20 і Д21, віднесених до другої групи, з робочою температурою до 300°С.

У діючому зразку ПуПРД як спряжену пару матеріалів вузла запирання використовують ОТ4-1 и Д16Т. Різниця між ударною в'язкістю обох матеріалів становить 0.3 МДж/м² і короткочасній міцності - 50 МПа. Час роботи клапана при таких матеріалах - до 45 хвилин, решітки - 90 хвилин. Порівняння певних механічних властивостей матеріалів решітки та клапана показано на рис. 15.

Рис. 15. Залежність ударної в'язкості від межі міцності для матеріалу клапана і решітки

Камера ПуПРД працює у високонавантаженому тепловому та силовому (рис. 16, а) режимах. За кольорами розжарення та відповідними температурами визначено, що температура стінки камери при виході двигуна на робочий режим - не нижче 750°С.

Основними факторами, які впливають на вибір матеріалу камери згоряння ПуПРД, є такі:

значення межі міцності при підвищених температурах;

межа тривалої міцності;

коефіцієнт ударної в'язкості;

стійкість до окалиноутворення в середовищі повітря і продуктів згоряння (рис. 16, б).

а б

Рис. 16. Руйнування (а) і окалина (б) на стінках камери ПуПРД

На високотемпературних режимах роботи доцільно використовувати жароміцні сталі з вмістом хрому не менше 14%. Недоліком високохромистих сталей є схильність до росту феритного зерна, що призводить до окрихчування матеріалу. Для запобігання вказаному вище ефекту сталь додатково легують титаном.

Для матеріалу камери згоряння підходять практично усі розглянуті жароміцні сталі з вмістом хрому не нижче 18% і додатково леговані нікелем і титаном (виключення можуть становити лише сталь ХН60ВТ, яка має низьку корозійну стійкість при високих температурах, та ХН70Ю - має низький КУВ при високих температурах).

З метою здешевлення короткоресурсних конструкцій на практиці освоєно використання звичайної легованої сталі марки 09Х16Н4Б як матеріал камери згоряння. Але при цьому значно скорочується ресурс двигуна.

У п'ятому розділі проведено оброблення даних вогневих випробувань і критеріальну оцінку вибірки відомих зразків БЛА.

При здійсненні експериментів реєструвались такі параметри, як тяга двигуна та витрата палива [6].

Виходячи з експериментальних даних були побудовані гістограми значень максимальної і мінімальної тяги, питомої витрати, а також їх криві нормального розподілення.

Розрахунок Q_{пит.мін} необхідно для визначення т.з. «крейсерського режиму» літального апарата, що в подальшому приводить до визначення чи уточнення вигляду і основних характеристик транспортної системи.

Для встановленої витрати 11...12 кг/год побудовано гістограму, на якій відмічені значення максимальної тяги для різноманітних конфігурацій камери згоряння при фіксованому положенні дросельного крана (витрати відповідають Q_{пит.мін}).

Отримані в процесі статистичного оброблення експериментів дані служать основою для визначення основних характеристик БЛА. Для заданих швидкості польоту і умов дальності складені тактико-технічні характеристики (ТТХ) безпілотного літального апарата схеми «качка» (табл. 1).

Таблиця 1 ТТХ БЛА

Аеродинамічна схема	качка
Тип двигуна	ПуПРД
Паливо	бензин А-76...А-92
Тяга двигуна, кгс	стартова
	крейсерська	5.5
Злітна маса БЛА, кг	16.5
Швидкість польоту, м/с	100
Запас палива, кг	4.2
Маса корисного навантаження, кг	1.6
Умовна дальність польоту1), км	120

¹⁾- дальність польоту з максимальною швидкістю без урахування ділянки розгону та гальмування

Критеріальний аналіз масивів тактико-технічних характеристик відомих зразків безпілотних літальних апаратів дозволяє з урахуванням масштабного чинника формальними засобами вивести вигляд транспортної системи (ТС) із заданими властивостями оперативності та перешкодозахищеності [7].

Критеріальні комплекси відображують взаємозв'язок властивостей ТС. У розвитку принципів і підходів для проведення критеріального аналізу використовують простір, утворений показниками функціональної ефективності аналогами ККД:

, , , (7)

де - коефіцієнт масової досконалості;

М_с, М_кн, М_п - маси БЛА: стартова, корисного навантаження, пального;

D - дальність польоту; L - характерний розмір БЛА; R - сила тяги двигуна;
H_U, - теплотворна нижча здатність і коефіцієнт повноти згоряння умовного палива; , - масштабні дальність і швидкість польоту, (V/L)_{ет. ла} - приведена до масштабу БЛА еталонна швидкість польоту, V - швидкість польоту БЛА.

Масштабна дальність польоту відображає основну функціональну властивість ТС із БЛА незалежно від типорозміру.

Масштабна швидкість польоту дозволяє оцінити швидкісні можливості ТС незалежно від розмірів БЛА.

Можливості методу критеріальних оцінок, заданого в просторі (7), продемонстровані на прикладі вибірки відомих зразків БЛА в діапазоні стартових мас 10…3000 кг. Для аналізу вибирали ряди ТТХ крейсерських режимів польоту (рис. 17). На рисунку прийняті певні позначення.

За системами старту: Катап. - катапультний старт, Повітр. - повітряний старт, Прискор. - старт за допомогою розгінних блоків - прискорювачів.

За типом двигунної установки: ПуПРД - пульсуючий повітряно-реактивний двигун, ПД - поршневий двигун, ТРД - турбореактивний двигун, НППРД - надзвуковий прямоструминний повітряно-реактивний двигун, РДТП - ракетний двигун твердого палива.

Рис. 17. Повний вигляд масштабного критеріального простору типів БЛА

Висновки

В роботі отримано такі результати.

1. Відповідно до поставленої мети досліджень запропоновано комплексний метод проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів, які використовують механічні клапанні пристрої, з детермінованими АФЧХ для забезпечення заданих показників економічності й ресурсу, виходячи із функціонального призначення БЛА.

2. Запропонований програмно-апаратний комплекс на основі нового акустичного методу дистанційної реєстрації АФЧХ коливальних систем двигуна в поєднанні з вейвлет і Фур'є аналізом спектра коливань може бути застосований у різних об'єктах техніки, які генерують звуковий сигнал.

3. Вперше здійснено порівняльний матеріалознавчий аналіз сортаменту матеріалів елементів конструкції ПуПРД, на основі якого виведені основні умови сумісності й доцільності використання.

4. Достовірність наведених результатів числового експерименту зумовлена побудовою моделей коливальних систем на базі фундаментальних законів механіки та використанням апробованих методів наближеного розв'язку крайових задач.

5. Достовірність результатів натурних випробувань підтверджується задовільною кореляцією результатів оброблення експериментальних масивів даних стандартними статистичними методами та працездатністю створених зразків ПуПРД.

6. Розроблення щодо теми дисертації доведено до практичної реалізації у вигляді програмного продукту.

7. Результати числових і натурних досліджень дозволили одержати ряд працездатних ПуПРД у діапазоні тяг 6…10 кгс, створених у рамках програми розроблення БАК із всепогодним БЛА А-11 «Стриж», який проводить ТОВ «Науково-промислові системи» КБ «Взлет», що підтверджується відповідним актом впровадження.

8. Розроблені в рамках робіт з теми дисертації експериментальні стенди впроваджені в навчальний процес кафедри 401 «ХАІ».

Публікації з теми дисертації

1. Амброжевич А.В. Аппаратно-программный инструментарий исследования рабочих процессов пульсирующих воздушно-реактивных двигателей / А.В. Амброжевич, И.П. Бойчук, В.Ю. Силевич // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 2 (49). - С. 55-59. Здобувачем запропоновано метод дослідження амплітудно-фазово-частотних характеристик на основі дистанційної реєстрації первинного звукового сигналу.

2. Амброжевич А.В. Исследование взаимосвязи между частотными характеристиками и ресурсом клапана ПуВРД / А.В. Амброжевич, И.П. Бойчук, В.Ю. Силевич // Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. - № 1 (58). - С. 76-79. Здобувачем застосовано метод дослідження АФЧХ, проведено роботи щодо вимірювання частотних властивостей пелюстки клапана та робочого процесу двигуна, виконано порівняння з математичною моделлю.

3. Бойчук И.П. Сравнение механических моделей колебания лепесткового клапана / И.П. Бойчук, С.Н. Ларьков, В.Ю. Силевич // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 3 (59). - Х., 2009. - С. 26-32. Здобувачем виконано моделювання коливального процесу пелюстки клапана за допомогою методу скінчених елементів, зроблено порівняння дослідних моделей.

4. Силевич В.Ю. Моделирование процесса вынужденных колебаний лепесткового клапана ПуВРД / В.Ю. Силевич // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 1 (65). - Х., 2011. - С. 108-117.

5. Силевич В.Ю. Материаловедческие аспекты обеспечения надёжности и ресурса ПуВРД с механическим клапаном / В.Ю. Силевич // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - № 1 (68). - С. 56-64.

6. Силевич В.Ю. Формирование облика легкого беспилотного летательного аппарата на основе результатов стендовых испытаний пульсирующего воздушно-реактивного двигателя / В.Ю. Силевич, А.С. Карташев // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - № 6 (73). - С. 28-32. Здобувачем проведено оброблення експериментальних даних вогневих випробувань дослідного зразка пульсуючого повітряно-реактивного двигуна з метою визначення основних характеристик БЛА.

7. Определение областей целесообразного применения аэробаллистических летательных аппаратов с различными типами двигательных установок / А.В. Амброжевич, А.С. Карташев, В.Ю. Силевич, А.А. Вороньков // Авиационно-космическая техника и технология. - 2011. - № 1 (74). - С. 56-64. Здобувачем проведено аналіз функціональних властивостей множини малорозмірних літальних апаратів з використанням критеріїв подібності, отримано диференціацію за властивостями ЛА.

Анотація

Сілевич В.Ю. Метод проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів з підвищеним ресурсом механічного клапана. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - двигуни та енергетичні установки. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», Харків, 2011.

Дисертацію присвячено проблематиці проектування пульсуючих повітряно-реактивних двигунів (ПуПРД) з механічним клапаном (МК) на основі комплексного методу проектування ПуПРД з наперед заданими показниками економічності й ресурсу.

Для дослідження частотних характеристик було розроблено апаратно-програмний інструментарій, що дозволяє одержувати амплітудно-фазово-частотні характеристики елементів двигуна окремо і в цілому за акустичним сигналом.

У напрямку моделювання руху пелюсткового клапана проведено роботу щодо дослідження певних математичних моделей вільних коливань, за результатами якої обґрунтовано вибір використовуваної в подальшому дослідженні моделі вимушених коливань.

Для забезпечення надійної роботи ПуПРД запропоновано системний підхід щодо вибору матеріалів конструкції двигуна, в основі якого використовується вимога до ресурсу.

На основі стендових випробувань дослідного ПуПРД оброблено експериментальні дані, завдяки яким було визначено основні характеристики безпілотного літального апарата. За допомогою критеріальних комплексів проведено аналіз функціональних властивостей малорозмірних БЛА. Розроблений метод проектування ПуПРД з МК істотно поглиблює можливості дослідження на стадії його проектування, доведення та модифікації.

Аннотация

Силевич В.Ю. Метод проектирования пульсирующих воздушно-реактивных двигателей с повышенным ресурсом механического клапана. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - двигатели и энергетические установки. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков, 2011.

Диссертация посвящена проблематике проектирования пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД) с механическим клапаном (МК) на основе комплексного метода проектирования ПуВРД с заранее заданными показателями экономичности и ресурса. В результате изучения литературных источников установлено, что на данный момент не существует системного подхода к комплексному проектированию ПуВРД с МК. Проектирование отдельных узлов носит общий характер, а различные аспекты недостаточно освящены. В связи с изложенным выше актуальной была признана задача создания метода проектирования ПуВРД с повышенным ресурсом МК.

Для исследования частотных характеристик был разработан аппаратно-программный инструментарий, позволяющий получать амплитудно-фазово-частотные характеристики составляющих элементов мотора и двигателя в целом по акустическому сигналу. Было проведено частотное исследование клапанного устройства и рабочего режима ПуВРД, выведено условие согласования АФЧХ конструктивных элементов двигателя.

Процесс колебания лепестка клапанного устройства всегда находился в зоне повышенного внимания разработчиков, но для моделирования движения клапана не был создан системный подход. Для проведения численного исследования было выполнено сравнение различных моделей лепесткового клапана, проанализированы данные моделирования, в результате чего обоснован выбор далее используемой модели. Численное решение системы уравнений модели базируется на основе принципа декомпозиции, используется приближённое решение с помощью финитных функций. Проведена верификация путём сопоставления результатов моделирования с данными, полученными при натурном эксперименте.

Обеспечение надёжной работы ПуВРД главным образом зависит от используемых конструкционных материалов, в связи с чем предложен системный подход к выбору материалов элементов конструкции двигателя, в основе которого лежит требование к ресурсу.

На основе стендовых испытаний опытного образца ПуВРД проведена обработка экспериментальных данных, которые послужили основой для определения основных характеристик БЛА.

С помощью критериальных комплексов выполнен анализ функциональных свойств различных малоразмерных БЛА, по результатам которого обеспечивается возможность детерминированного принятия решений на стадии формирования облика объекта проектирования.

Разработанный метод проектирования ПуВРД с МК существенно расширяет возможности исследования его характеристик на стадии проектирования, опытной доводки и разработки модификаций.

Abstract

Silevich V.Y. The designing of air pulse-jet engine method with advanced life of mechanical valve. - The manuscript.

The thesis for the scientific degree on candidate of technical science, speciality 05.05.03 - engines and power plants. - National Aerospace University named by N.Y. Zhukovsky «Kharkov Aviation Institute», Kharkov, 2011.

The dissertation is devoting to air pulse-jet engine (PJ) with mechanical valve (MV) designing problems on the complex designing of PJ method with beforehand specified factors of effectivity and resource.

The hardware-software toolkit that allow receiving gain-phase-frequency characteristics of the engine construct and PJ as a whole by acoustic signal was developed.

In order with petal valve motion modeling the elaboration concerning to free oscillation mathematical models investigation was conduct. The results of this research used in further forced oscillation modeling.

For ensuring reliable operation mode of PJ the systems approach to structural material selection on rupture life basis is proposed.

The execution of experimental data received from PJ pre-production model development testing and therefore the main characteristics of unmanned flying vehicle (UAV) was acquired is realize. The functional characteristics analysis of low-sized UAV's using criteria complexes is made. The developed designing of PJ with MV method appreciably extends investigation performance on the design stage, engineering, follow up and modification.

Размещено на Allbest.ru