CC BY
6
УДК 629.7.062
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-391-394
О ПРОЕКТИРОВАНИИ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ДИАМЕТРАЛЬНОЙ ЛОПАСТНОЙ МАШИНОЙ И УПРАВЛЯЮЩИМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
Е.Н. Кутейникова, С.Л. Самсонович, В.И. Лалабеков
Рассмотрены возможные режимы работы газодинамического привода с диаметральной лопастной машиной и управляющим электродвигателям и принципы его работы. Предложены порядок проектирования газодинамического привода. В основу проектирования положены результаты численного моделирования и разработанная авторами математическая модель.
Ключевые слова: газодинамический привод, диаметральная лопастная машина, компрессорный режим, генераторный режим, алгоритм проектирования.
Научно-технический прогресс является одним из основных источников развития приводной техники по таким параметрам, как удельная мощность, массогабаритные показатели, динамичность и точность. Развитие происходит как в модификации уже существующих решений, так и в создании новых на основе нетрадиционных принципов действия.
К подобным решениям относится применение газодинамического привода (ГДП), использующего энергию набегающего потока для создания управляющей тяги летательного аппарата (ЛА) или для создания вращающего момента на электрогенераторе, осуществляющего подзарядку аккумуляторных батарей. Энергия батареи расходуется при недостаточном скоростном напоре потока.
Оба этих режима доступны при применении в составе ГДП диаметральной лопастной машины (ДЛМ) с управляющим электродвигателем (ЭД). Такое конструктивное решение позволяет сочетать в качестве силового источника питания два вида энергии: электрическую из аккумуляторной батареи и энергию набегающего потока воздуха [1].
ДЛМ включает в себя лопастное рабочее колесо и воздухопровод с каналами забора и сброса воздуха (рис.1). Диаметральной лопастная машина называется в связи с тем, что поток дважды проходит в ней в диаметральном направлении: через лопасти на входе в колесо и через лопасти на выходе с колеса. Само колесо, как правило, по форме напоминает «беличью клетку». Продольная ось ДЛМ перпендикулярна набегающему потоку и жестко соединена с ротором ЭД. Управление летательным аппаратом (ЛА) осуществляется за счет регулирования тяги истекающего потока из канала сброса. Тяга потока регулируется изменением скорости вращения рабочего колеса за счет управления скоростью электродвигателя.
Наличие ДЛМ совместно с ЭД обеспечивает три режима работы: компрессорный, смешанный и генераторный [1].
Рис. 1. Исполнение ДЛМ: а - ДЛМ с основными конструктивными параметрами; б - исполнение рабочего колеса: 1 - воздухозаборник; 2 - воздухопровод; 3 - канал сброса воздуха; 4 - рабочее колесо; Д -наружный диаметр колеса; В2 - внутренний диаметр
рабочего колеса; I - длина хорды лопасти; Рх - внешний угол лопасти; Р2 - внутренний
угол лопасти 391
Компрессорный характеризуется отсутствием набегающего потока или его малым значением в воздухозаборнике. В этом случае на электродвигатель подается сигнал управления и привод работает как компрессор, создавая скоростной поток и увеличивая величину тяги истекающего потока.
Генераторный характеризуется наличием потока и отсутствием сигнала управления на электродвигателе. ДЛМ с электродвигателем в этом случае используется в качестве ветрогене-ратора.
Смешанным режим сочетает в себе особенности первых двух режимов. В зависимости от скорости потока, рабочее колесо может дополнительно ускорять поток или тормозить.
Вариативность режимов работы ГДП позволяет применять его в различных условиях, расширять область применения ЛА и влиять на их аэродинамических характеристики, а также увеличить время полета за счет использования подзарядки аккумуляторной батареи.
Однако, ввиду специфики течений потока в ДЛМ, а также их малой изученности, для проектирования и дальнейшего применения таких ГДП необходимо не только исследовать характеристики привода, но и составить рекомендацию по выбору параметров ДЛМ с ЭД, а также автоматизировать решение следующих задач.
1. Определение компоновки и конструктивных параметров ДЛМ.
2. Математическое обоснование требуемых параметров ЭД.
3. Использование упрощенной математической модели рассматриваемого ГДП для предварительного анализа его эффективности.
4. Моделирование работы всего привода в целом для исследования его характеристик
Эффективная компоновка ДЛМ определена в результате численного моделирования в
системе Ansys CFX моделей воздухопровода и рабочего колеса при различных режимах работы. По итогам работы было определены требования к геометрии рабочего колеса и воздухопровода. Невыполнение этих требований приводит к нарушению в циркуляции потока, образованию вихрей и обусловливает неэффективную работу ГДП [2].
Математическое описание для обоснования параметров ЭД построено с использованием векторных диаграмм скоростей ДЛМ [3]. На основании этих диаграмм строилась зависимость крутящего момента на валу рабочего колеса в зависимости от режима работы.
Предложенная математическая модель ГДП представлена в [4]. Результаты математического моделирования сравнивались с результатами численного моделирования. По итогам решения вышеуказанных задач предложен следующий алгоритм проектирования (рис.2).
Рис. 2. Алгоритм проектирования ГДП под заданные требования
392
Исходными данными являются: потребная тяга, объем, выделенный для размещения предложенного газодинамического привода, диапазон скорости и высот полета. По размерам выделенного объема производится выбор геометрических параметров рабочего колеса и воздухопровода из рекомендованных значений. Рассчитывается потребная мощность ЭД. Затем по математической модели определяются статические и динамические характеристики привода. На этом этапе производится оценка достаточности создаваемой тяги. Если необходимо увеличить значение тяги, то следует произвести замену ЭД на более мощный. Завершающим этапом является этап комплексирования, в котором исследуется функционирование газодинамического привода уже в ЛА. На этом этапе производится анализ изменения давления, создания тяги, влияния привода на аэродинамическое качество.
Составленный порядок расчета построен для реализации требуемой тяги в выделенном объеме и составлен на основе математического моделирования ГДП, проводимого при регламентированных параметрах рабочего колеса и воздухопровода. Используются модели: численная и аналитическая, что позволяет оценивать работоспособность привода в комплексе.
Предложенный алгоритм проектирования позволяет автоматизировать расчет управляющего усилия, создаваемого приводом и проводить оценку его характеристик.
Список литературы
1. Самсонович С.Л., Фимушкин В.С., Никаноров Б.А., Кутейникова Е.Н. и др. Патент РФ №2634609. Способ управления беспилотным летательным. аппаратом, и блок рулевых приводов для его осуществления.
2. Кутейникова Е.Н., Самсонович С.Л. Численное моделирование диаметральных лопастных машин и их применение в ЛА // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Сборник трудов XXVI международной научно-технической конференции, 14-20 сентября 2017 г., Алушта. М.: ИД «МЕДПРАКТИКА-М», 2017, 216
3. Kuteynikova E. N. et al. Study on torque of tangential fan in three operating mode // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2021. Т. 1958. №. 1. С. 012027.
4. Самсонович С.Л., Лалабеков В.И., Кутейникова Е.Н. Математическая модель газодинамического привода ЛА с диаметральной лопастной машиной и управляющим электродвигателем. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 4. C. 157-167.
Кутейникова Екатерина Николаевна, канд. техн. наук, доцент, e.kuteynikova@gmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Самсонович Семен Львович, д-р техн. наук, профессор, samsonovich40@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Лалабеков Валентин Иванович, д-р техн. наук, профессор, lalabekov.valentin@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
DESIGNING OF A GAS-DYNAMIC DRIVE WITH TANGENTIAL FAN AND ELECTRIC CONTROL MOTOR
E.N. Kuteynikova, S.L. Samsonovich, V.I. Lalabekov
This paper presents the principles ofoperetion and possible opereting modes of a gas-dynamical drive with a tangential fan and an electric control motor. A designing algorithm for such gas-dynamic drive is proposed. The design is based on the results of numerical simulation and the mathematical model developed by the authors.
Key words: gas-dynamic drive; tangential fan, compressor mode, generator mode, designing algorithm.
Kuteynikova Ekaterina Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, e.kuteyni-kova@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Samsonovich Semen Lvovich, doctor of technical science, professor, samsonovich40@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Lalabekov Valentin Ivanovich, doctor of technical science, professor, lalabekov. valen-tin@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 629.7.062
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ ПРИ СОВЕРШЕНИИ ПЛОСКОГО ПОВОРОТНОГО МАНЕВРА
А.Б. Кондратьев
В работе рассматриваются вопросы определения параметров импульсного управления газодинамическим приводом на основе дивертора потока объекта парашютного десантирования, удовлетворяющей требованию минимизации запаса рабочего тела.
Ключевые слова: газодинамический привод, оптимальное управление, система ориентации и стабилизации, импульсное управление.
В работе рассматривается объект парашютного десантирования (ОПД), в состав которого входит платформа с полезной нагрузкой, оснащенная системой ориентации и стабилизации (СОиС). СОиС решает задачу ориентирования ОПД по направлению ветрового сноса и дальнейшей стабилизации углового положения с целью его безопасного приземления.
Управляющий момент в таких системах создается активными СОиС на базе газодинамических приводов различного типа путем приложения реактивных сил к объекту на определенном расстоянии от оси вращения, проходящей через центр масс и подвесную систему.
В данной работе рассматриваются газодинамические приводы, рабочим телом которых служит или сжатый до высоких давлений воздух, реже азот. Поскольку одновременно с разворотом объекта происходит и его снижение, то время ориентации tк не должно превышать время
снижения с высоты, задаваемой моментом включения СОиС. Разброс по определению высоты включения и непостоянство скорости снижения приводят к тому, что время ориентации должно быть меньше времени снижения. Разница между временем снижения и временем ориентации -
время стабилизации углового положения объекта tс (удержание объекта в ориентированном состоянии) - является гарантией того, что в момент приземления объект располагается определенным образом относительно направления сноса. При этом для экономии энергии время ориентации должно слабо зависеть от угла рассогласования и начальной скорости объекта, а запас рабочего тела обеспечивать не только ориентацию, но и удержание объекта в сориентированном положении вплоть до момента приземления.
Требуемое время ориентации реализуется в алгоритме управления, выбираемом в виде решения задачи конечного управления с привлечением теории оптимального управления.
В работе рассматриваются СОиС, оснащенные приводом с регулируемым расходом (иногда называемые приводами, построенными по закрытой схеме).
Так как исследуемый ОПД представляет собой слабо демпфированную динамическую систему, движение которой может быть описано следующей системой уравнений [1]:
