CC BY
5УДК 621.452.32
ОСОБЕННОСТИ ГАЗОДИНАМИКИ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО БОКСА ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ МИКРОРАЗМЕРНЫХ ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Е. В. Анфиногенов, М. А. Якушева, Д. К. Дмитриев, А. В. Побелянский, А. А. Левихин
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. Рассматриваются особенности проведения испытаний микроразмерных турбореактивных двигателей на испытательном боксе БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова при разных погодных условиях и с различным расположением двигателя относительно патрубка вытяжной вентиляции. Определены проблемы, возникающие при проведении испытаний микроразмерных турбореактивных двигателей, выявлено влияние климатических условий на работу двигателя и стенда.
Ключевые слова: микроразмерные турбореактивные двигатели, испытательные стенды, влияние климатических условий
Для цитирования: Анфиногенов Е. В., Якушева М. А., Дмитриев Д. К., Побелянский А. В., Левихин А. А. Особенности газодинамики испытательного бокса для наземных испытаний микроразмерных турбореактивных двигателей // Аэрокосмическая техника и технологии. 2024. Т. 2, № 3. С. 113-124. DOI 10.52467/2949-401Х-2024-2-3-113-124. EDN NEGQJX
FEATURES OF THE GAS DYNAMICS OF THE TEST BOX FOR GROUND TESTS OF MICROSCALE TURBOJET ENGINES
E. V. Anfinogenov, M. A. Yakusheva, D. K. Dmitriev, A. V. Pobelyansky, A. A. Levikhin
Baltic State Technical University "VOENMEH", Saint Petersburg, Russia
Abstract. The features of testing microscale turbojet engines on the test bench of the D.F. Ustinov BGTU "VOENMEH" in different weather conditions and with different engine locations relative to the exhaust ventilation pipe are discussed. The problems that arise during testing of micro-scale turbojet engines are identified, and the influence of climate conditions on engine operation and test stand operation is revealed.
Keywords: microscale turbojet engines, test benches, influence of climate conditions
For citation: Anfinogenov E. V., Yakusheva M. A., Dmitriev D. K., Pobelyansky A. V., Levikhin A. A. Features of the gas dynamics of the test box for ground tests of microscale turbojet engines. Aerospace Engineering and Technology. 2024. Vol. 2, no. 3, pp. 113-124. DOI 10.52467/2949-401X-2024-2-3-113-124. EDN NEGQJX (In Russian)
© Анфиногенов Е. В., Якушева М. А., Дмитриев Д. К., Побелянский А. В., Левихин А. А., 2024
Введение
В настоящее время стремительно развивается беспилотная авиация [1], которая будет прогрессировать в ближайшие 10 лет. Двигательная установка является одним из важнейших элементов БПЛА, к наземным испытаниям которой предъявляются высокие требования [2]. Наибольшее распространение двигательных установок для скоростных БПЛА получил тип микроразмерных турбореактивных двигателей (мТРД) [3].
Для обеспечения комплекса доводочных испытаний, а также испытаний в процессе серийного производства мТРД, испытательный бокс стенда должен максимально имитировать внешние условия, при этом необходимо учитывать особенности работы мТРД - высокие температуры, расход и скорость истечения реактивной струи газа из сопла [4, 5].
Обеспечение испытаний мТРД в условиях, максимально приближенных к натурным, представляет собой сложную научно-техническую задачу, включающую в себя газодинамический расчет испытательного бокса и его выхлопной системы [6]. Испытательный бокс должен обеспечивать достаточный подвод воздуха, а его выхлопная система - гарантировать надежный отвод отработанных газов, при этом требуется высокая точность измерения основных параметров мТРД.
Теория газотурбинных установок показывает, что данный тип двигателей очень чувствителен к изменению термодинамических параметров цикла, в частности, к изменению температуры и давления наружного воздуха на входе в компрессор мТРД. В условиях эксплуатации это проявляется в виде изменения внешних характеристик мТРД. При изменении давления наружного воздуха и неизменной его температуре, мощность установки изменяется пропорционально изменению наружного давления. Однако колебание давления наружного воздуха оказывает малое влияние на работу мТРД при сравнительно больших размерах испытательного бокса относительно расхода мТРД и при наличии вентиляционных окон. Значительно большее влияние на работу мТРД оказывает колебание температуры наружного воздуха, в том числе сезонная смена температуры. Отклонение температуры наружного воздуха от расчетной (¿1 = ±15 °С) вызывает существенное изменение эффективной мощности мТРД [7-9].
На рис. 1 изображены графики зависимости тяги от оборотов одного и того же объекта испытаний, которые проводились в испытательном боксе БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова при различных условиях расположения объекта испытаний относительно выхлопного патрубка (ВП) (сверху - расположение кромки сопла двигателя с совпадением граней сопла и ВП, снизу - расположение со смещением среза сопла вглубь относительно среза патрубка на 50 мм). Из графиков видно, что параметры одного и того же мТРД могут существенно отличаться (более чем на 10 %), что вызвано балластированием (под-
мешиванием к воздуху окружающей среды газов, не принимающих участие во внутрикамерных процессах двигателя, при превращения химической энергии в тепловую при сгорании топлива) мТРД выхлопными газами. Нужно отметить, что испытания таких объектов, как мТРД с привязкой к существующей инфраструктуре испытательного бокса, необходимо проводить с учетом его газодинамики.
90 80 70
Еб0
к
50 §40
чр
о4«
30 20 10 0
30
34
48
60 74 78
% от мах. оборотов
87
92
95
Рис. 1. Влияние газодинамики испытательного бокса на параметры мТРД
Испытательный бокс БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова (рис. 2) предназначен для проведения наземных исследовательских испытаний мТРД.
Рис. 2. Вид испытательного бокса с установленным в нем стендом с мТРД (габариты бокса - длина 3,86 м, ширина 3,58 м, высота 6,37 м)
1 - блочная откосная крыша; 2 - три окна с затворами; 3 - приточный люк в верхней части, через которую в бокс поступает атмосферный воздух; 4 - ВП; 5 - объект исследования
Бокс может оснащаться средствами измерений: термопары, датчики давления и другим необходимым испытательным оборудованием. Бокс оборудован газоотводом выхлопных газов от мТРД на безопасную дистанцию, имеет защитные ограждения, средства метрологического обеспечения, средства пожаротушения.
Выхлопной патрубок представляет собой Т-образное соединение двух труб диаметром 0,25 м, образующих канал отвода отработанного газа в атмосферу. Патрубок вынесен за пределы бокса, одна часть находится на высоте 0,58 м, другая наглухо перекрыта, длина вертикальной части трубы составляет 3,18 м. Объект исследования может быть установлен на подвижную платформу перед ВП, при этом расстояние между ВП и мТРД может изменяться, что существенно влияет на движение выхлопных газов и на балластирование испытательного бокса отработанными газами.
Для исследования влияния положения объекта испытаний относительно ВП проводился газодинамический расчет в программе FlowSimulation с использованием сетки, показанной на рис. 3.
Давление окружающей сред ,03322745 ф
■ ■
-
1.0 332 2745 а
+
+
1 I
950 д/э
; 1
I1 и
Рис. 3. Вид испытательного бокса с отображением плотности расчетных ячеек
Граничные условия: массовый расход газа на срезе сопла до 950 г/с; температура рабочего газа на срезе сопла 700 °С; массовый расход воздуха во входное устройство 930 г/с; давление на срезе ВП 101 кПа; температура воздуха на срезе приточных окон 20 °С; давление воздуха, поступающего в испытательный бокс 101 кПа; расчетная сетка составляет 1 017 833 узлов.
На рис. 4 и 5 показаны температурное поле в сечении оси двигателя и векторы скорости течения с градиентом температур соответственно.
Рис. 5. Векторы воздушных потоков в испытательном боксе
Влияние положения двигателя на работу бокса
Для исследования влияния расположения двигателя относительно среза ВП двигатель устанавливается с размещением среза сопла (рис. 6.).
Рис. 6. Варианты расположения двигателя относительно среза ВП:
а - по верхней кромке ВП и со смещением от среза ВП на 50 мм; б - по верхней кромке ВП и совпадением со срезом ВП; в - по верхней кромке ВП и со смещением вглубь среза ВП на 50 мм; г - концентричное с ВП и со смещением от среза ВП на 50 мм; д - концентричное с ВП и совпадением со срезом ВП; е - концентричное с ВП и со смещением вглубь среза ВП на 50 мм
На рис. 6, а-в при расположении сопла выше оси трубы в ВП образуются завихрения рабочего газа, часть рабочего тела возвращается обратно в испытательный бокс и далее попадает на вход в мТРД. Неправильная работа ВП приводит к балластировке рабочего газа на вход в компрессор со значительным увеличением температуры на входе в двигатель. Из чего следует, что наихудшим положением двигателя является расположение по верхней кромке ВП. Так, при варианте положения (рис. 6, в) средняя температура на входе в двигатель составляет 54 °С, что на 34 °С выше температуры воздуха на срезе в приточных окнах (рис. 7). Это говорит о существенном балластировании двигателя выхлопными газами.
Заметим на рис. 6, г-е, что в случае концентричного размещения двигателя с патрубком рабочий газ не создает завихрений потока, а воздух, не участвующий в работе двигателя, инжектируется в ВП, охлаждая тем самым стенки патрубка и перемешиваясь с рабочим газом. Описанные обстоятельства приводят к наилучшему отводу отработанных газов и не вызывают повышенной загазованности помещения.
Рис. 7. Средняя температура на входе в двигатель 54 °С
Из анализа следует, что наилучшим расположением двигателя является вариант положения (рис. 6, д), при котором двигатель расположен симметрично с ВП и срез сопла двигателя совпадает со срезом ВП. При этом все выхлопные газы двигаются в верном направлении, и балластирование двигателя не наблюдается.
После проведенных исследований и определения оптимального позиционирования стенда относительно ВП проводились расчеты для определения влияния погодных условий, в частности, влияние ветра, на процессы, происходящие в испытательном боксе во время работы двигателя на режиме. При расчете климатических условий моделировалась скорость ветра снаружи испытательного бокса и его влияние на движение газов в ВП и приточных окнах. При проведении расчетов на влияние климатических условий скорость ветра принимается равной: 0, 3, 5, 10 м/с.
Описание влияния погодных условий на работу бокса
Влияние атмосферных воздействий на работу испытательного стенда проводилось при скоростях ветра 0, 3, 5, 10, м/с, направленного со стороны заборных окон. Двигатель устанавливается соосно с ВП, срез сопла двигателя расположен у торца ВП. Такое положение является самым оптимальным, исходя из полученных ранее выводов, и используется в дальнейшем исследовании.
На рис. 8 изображены градуировки температуры и скорости газа соответственно. На рис. 9 показано температурное поле выходящего из патрубка газа при скоростях ветра 0, 3, 5, 10 м/с. На рис. 10 отображен скоростной поток выходящего из патрубка газа при скоростях ветра 0, 3, 5, 10 м/с.
Рис. 8. Градуировки температуры (слева) и скорости газа (справа)
жжмн нжнж
ж» ЖЖМН нжнж
жжж1 НЖНЖ
ЖЖМН ШМИН!
ПН ЖЖЖ( нжнж
ЖЖПН НЖНЖ
>!н ЖЖЖ( жнжК
ни жжж» ншшн
ГЖ жжмн инжж
МП ЖЖ»Ж ЖЖЖ
ж ЖЖЖ» ннж \
11* ЖЖМН ннжИ
жжнж ЖЖНЖ ♦ 4 4 4 + *
Н11<П
Рис. 9. Температурное поле выходящего из патрубка газа при скоростях ветра 0, 3, 5, 10 м/с
соответственно
Рис. 10. Скоростной поток выходящего из патрубка газа при скоростях ветра 0, 3, 5, 10 м/с
соответственно
Заметим, что при увеличении скорости ветра, нагнетающего воздух в бокс, уменьшается температура рабочего газа в патрубке. При этом увеличивается тяга ВП, что положительно сказывается на циркуляции воздуха в испытательном боксе.
Заключение
Для обеспечения комплекса доводочных испытаний, а также испытаний в процессе серийного производства мТРД, испытательный бокс стенда должен максимально соответствовать внешним условиям. При этом необходимо учитывать газодинамику испытательного бокса, особенно его выхлопной системы и связанную с ней работу мТРД.
Расположение двигателя относительно ВП имеет большое влияние на высокоскоростную струю мТРД в патрубке, образование зон завихрений или инжек-цию дополнительных расходов воздуха в патрубок.
Рассмотрено влияние расположения мТРД относительно установленного отводного патрубка испытательного бокса БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова. Наиболее оптимальным является концентричное расположение к ВП с совпадением среза сопла двигателя и торца ВП.
Изучено влияние климатических условий, в частности, скорости ветра снаружи испытательного бокса. Показано, что увеличение ветра в направлении, рассмотренном в исследовании, приводит к увеличению тяги трубы и уменьшению загазованности бокса, что существенно улучшает режим работы двигателя.
Благодарность/Acknowledgement
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FZWF-2024-0003) / This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. FZWF-2024-0003)
Конфликт интересов / Conflict of interests
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов / The authors declare no conflict of interests.
Библиографический список
1. Аэронет // Национальная технологическая инициатива. URL: https://nti2035. ru/markets/aeronet (26.07.2024).
2. Дмитриев Д. К., Кравченко Д. Г., Побелянский А. В. Анализ персональных микроэнергетических установок с удельной мощностью от 10 до 1000 Вт/кг // Материалы V Всероссийской научно-практической конференции «Калашниковские чтения», 8-11 ноября 2018 г., Ижевск, Россия. Ижевск, 2018. С. 152-156. EDN: ZACZMT
3. Schobeiri M. T. Gas Turbine Design, Components and System Design Integration. Springer International Publishing AG, 2018. 510 p. DOI: 10.1007/978-3-319-58378-5.
4. Каровецкий А. А., Побелянский А. В. Создание стенда для испытаний камеры сгорания мГТД различных типов испарительных форсунок // Сборник докладов Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», 23-25 июня 2021 г., Самара, Россия. Самара, 2021. Т. 2. С. 130-131. EDN: MLMJND
5. Каровецкий А. А., Побелянский А. В. Создание стенда для экспериментального исследования работы камер сгорания с испарительными форсунками // Сборник статей научно-техни-
ческой конференции «Климовские чтения - 2021: перспективные направления развития авиа-двигателестроения». СПб.: Скифия-принт, 2021. C. 32-41. DOI: 10.53454/9785986205533_32, EDN: LTQQQB
6. Дудьев Д. Я., Скачков С. В., Лежнин К. Е., Трушляков В. И. Особенности испытаний малогабаритных газотурбинных двигателей для беспилотных летательных аппаратов // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2017. № 1. C. 21-23. EDN: YMFSDR
7. Побелянский А. В., Левихин А. А. Исследование возможностей аддитивных технологий при создании элементов двигательных установок // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: Сборник докладов VI международной конференции, 8-9 октября 2020 г., Москва, Россия. М., 2020. С. 19-36. EDN: MSSQQW
8. Побелянский А. В., Дмитриев Д. К., Левихин А. А. Интенсификация конвективного теплообмена стенок жаровой трубы 3Б-печатного микроразмерного турбореактивного двигателя // Омский научный вестник. Серия Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 1. С. 128-138. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-128-138, EDN: QKFEAB
9. Дмитриев Д. К., Побелянский А. В. Учет влияния микроразмерности двигателя на коэффициент полезного действия лопаточных машин микроразмерных ГТД // МОЛОДЕЖЬ. ТЕХНИКА. КОСМОС: Труды двенадцатой общероссийской молодежной научно-технической конференции, 23-25 апреля 2020 г., Санкт-Петербург, Россия. В 4 т. СПб., 2020. № 67. С. 191-195. (Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ). EDN: ZJLIGI.
Дата поступления: 27.08.2024 Решение о публикации: 10.09.2024
Контактная информация:
АНФИНОГЕНОВ Егор Валерьевич - техник (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
ЯКУШЕВА Мария Алексеевна - техник (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
ДМИТРИЕВ Дмитрий Константинович - преподаватель (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), dima21021998@ yandex.ru
ПОБЕЛЯНСКИЙ Антон Викторович - старший преподаватель (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected], [email protected]
ЛЕВИХИН Артем Алексеевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Россия, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), [email protected]
References
1. Aeronet. National Technology Initiative (NTI). URL: https://nti2035.ru/markets/aeronet (accessed: July 26, 2024). (In Russian)
2. Dmitriev D. K., Kravchenko D. G., Pobelyanskij A. V. [Analiz personal'nyh mikroenergetich-eskih ustanovok s udel'noj moshchnost'yu ot 10 do 1000 Vt/kg]. Materialy V Vserossijskoj nauch-no-prakticheskoj konferencii «Kalashnikovskie chteniya» [Proceedings of the V All-Russian Scientific and Practical Conference "Kalashnikov Readings," November 8-11, 2018, Izhevsk, Russia]. Izhevsk, 2018, pp. 152-156. EDN: ZACZMT (In Russian)
3. Schobeiri M. T. Gas Turbine Design, Components and System Design Integration. Springer International Publishing AG, 2018, 510 p. DOI: 10.1007/978-3-319-58378-5.
4. Karovetskii A.A., Pobelyanskiy A.V. Creation of a test bench for experimental investigation of the smal-size jet engine combustion chamber with various types of vaporization sticks. Sbornik dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Problemy i perspektivy razvitiya dvigatelestroeniya» [Collection of reports of the International Scientific and Technical Conference "Problems and prospects of engine building development," June 23-25, 2021, Samara, Russia]. Samara, 2021. Vol. 2, pp. 130-131. EDN: MLMJND (In Russian)
5. Karoveckij A. A., Pobelyanskij A. V., Sozdanie stenda dlya eksperimental'nogo issledovaniya raboty kamer sgoraniya s isparitel'nymi forsunkami [Creation of a stand for experimental study of the operation of combustion chambers with vaporizing burners]. Sbornik statej nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Klimovskie chteniya - 2021: perspektivnye napravleniya razvitiya aviad-vigatelestroeniya» [Collection of articles of the Scientific and Technical Conference "Klimov readings - 2021: promising directions for the development of aircraft engine building"]. St. Petersburg: Skifiya-print, 2021, pp. 32-41. DOI: 10.53454/9785986205533_32, EDN: LTQQQB (In Russian)
6. Dud'ev D. Ya., Skachkov S. V., Lezhnin K. E., Trushlyakov V. I., Osobennosti ispytanij malogabaritnyh gazoturbinnyh dvigatelej dlya bespilotnyh letatel'nyh apparatov [Features of testing small-sized gas turbine engines for unmanned aerial vehicles]. Rossiya molodaya: peredovye tekh-nologii - v promyshlennost' [Young Russia: Advanced Technologies for Industry]. 2017. No. 1, pp. 21-23. EDN: YMFSDR (In Russian)
7. Pobelyanskij A. V., Levihin A. A. Issledovanie vozmozhnostej additivnyh tekhnologij pri sozdanii elementov dvigatel'nyh ustanovok [Investigation of the potential of additive manufacturing technologies for the production of components for propulsion systems]. Additivnye tekhnologii: nastoyashchee i budushchee: Sbornik dokladov VI mezhdunarodnoj konferencii [Additive Technologies: Present and Future: Collection of reports of the 6th International Conference, October 8-9, 2020, Moscow, Russia]. Moscow, 2020, pp. 19-36. EDN: MSSQQW (In Russian)
8. Pobelyansky A. V., Dmitriev D. K., Levikhin A. A. Intensification of convective heat exchange of walls of heat pipe of 3D-printed micro-sized turbojet engine. Omsk scientific bulletin. Series aviation-rocket and power engineering. 2022. Vol. 6, no. 1, pp. 128-138. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-128-138, EDN: QKFEAB (In Russian)
9. Dmitriev D. K., Pobelyanskij A. V. Uchet vliyaniya mikrorazmernosti dvigatelya na koeffi-cient poleznogo dejstviya lopatochnyh mashin mikrorazmernyh GTD [Consideration of the impact of the microscale dimensions of the engine on the performance of microscale engine turbine blade machines]. MOLODEZh'. TEHNIKA. KOSMOS: Trudy dvenadcatoj obshcherossijskoj molodezh-noj nauchno-tekhnicheskoj konferencii [YOUNG PEOPLE. TECHNOLOGY. SPACE: Proceedings of the Twelfth All-Russian Youth Scientific and Technical Conference, April 23-25, 2020, St. Petersburg, Russia. In 4 vol.]. St. Petersburg, 2020. No. 67, pp. 191-195. (Library of «Voenmekh. Vestnik BGTU»). EDN: ZJLIGI (In Russian)
Date of receipt: August 27, 2024 Publication decision: September 10, 2024
Contact information:
Egor V. ANFINOGENOV - Technician (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Maria A. YAKUSHEVA - Technician (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
Dmitry K. DMITRIEV - Lecturer (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), dima21021998@ yandex.ru
Anton V. POBELYANSKY - Senior Lecturer (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1) [email protected], [email protected]
Artyom A. LEVIKHIN - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Head of Department (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russia, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), [email protected]
