Теплоотдача прямолинейного равномерного и закрученного потока Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.7.036.001

А. В. Тирацуян Научный руководитель - М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ОСОБЕННОСТИ СМАЗКИ РОТОРА МИКРО-ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Рассмотрен процесс системы смазки опор микро- ТРД на высокий ресурс работы и особенности этого процесса.

Летающие модели-копии беспилотных самолетов предназначены главным образом для имитации полета настоящего реактивного самолета в пределах визуальной близости к оператору. Однако, сам по себе, факт создания микро-ТРД является примечательным и следует ожидать в самое ближайшее время появление целого семейства беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с силовыми установками на основе микро-ТРД.

Подшипник задней опоры

Система смазки задней опоры

Поведенный анализ конструкции показал, что ресурс работ микро-ТРД обусловлен работоспособностью опор ротора.

Система смазки опор ротора двигателя представляет собой одну или систему струйных форсунок, подающих топливо (авиационный керосин) на подшипники. Для улучшения смазочных свойств в керосине добавляют парафин, или 4...5 % моторного масла. Смазочная смесь через трубопровод подводится к подшипнику передней опоры. Наддув передней опоры осуществляется воздухом, отбираемым от рабочего колеса стойкой статора компрессора. Через подшипник передней опоры и зазор между валом ротора и внутренним корпусом статора двигателя смазочно-воздушная смесь подается к подшипнику задней опоры (см. рисунок). Пройдя подшипник задней опоры, смесь сбрасывается в проточную часть газовой трубы, где догорает. Требуемые ресурсные показатели микро-ТРД находятся на уровне 100.120 часов наработки при условии регулярного выполнения регламентных работ.

Библиографическая ссылка

1. Ростопчин В. В. ЦНИИ АРКС, Микро-ТРД для беспилотных летательных аппаратов. 2005. 23 нояб.

© Тирацуян А. В., Краев М. В., 2010

УДК 629.7

М. И. Толстопятов, А. Е. Чернятьев Научный руководитель - В. П. Назаров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ТЕПЛООТДАЧА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАВНОМЕРНОГО И ЗАКРУЧЕННОГО ПОТОКА

Разработан алгоритм расчета параметров течения рабочего тела с учетом теплоотдачи характерных полостям энергетических установок ЛА, разработанный алгоритм имеет широкую область применения и реализован в программное обеспечение. Проведены экспериментальные исследования при турбулентном режиме течения.

К летательным аппаратам (ЛА) ракетно-космических систем традиционно предъявляются особо высокие требования по удельным энергетическим и эксплуатационным характеристикам. Учет особенностей течения с теплообменом, при разработке методик расчета представляет важную науч-

ную и инженерную задачу, входящую в число определяющих при разработке новых образцов ракетно-космической техники.

Основным объектом исследования полостей вращения энергетических установок ЛА являются: полость вращения между ротором и стенкой газовой

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

турбины, подводящее устройство турбин, боковые полости вращения между рабочим колесом и стенкой корпуса лопаточного нагнетателя, полости гидродинамических уплотнений и т. п.

Исходными данными для алгоритмов являлись геометрические параметры полостей течения, режимные параметры и свойства воздуха (рабочего тела) и воды (теплоносителя). Алгоритм позволяет определять следующие параметры: окружную, осевую и радиальную составляющие скорости воды и воздуха, полное, статическое давление, напряжение трения, толщину потери импульса, локальные и ос-редненные по длине и радиусу параметры коэффициентов теплоотдачи, теплового потока, критерии Стантона, Нуссельта, Рейнольдса, температуры воздуха, воды, стенки со стороны воздуха и воды и другие. Основным преимуществом алгоритма по сравнению с алгоритмами, основанными на эмпирических зависимостях, является относительно широкая область применения.

Экспериментальные исследования проводились в следующем диапазоне режимных параметров: экспериментальные участки № 1, № 2: объемный расход воздуха изменялся (V) от 2,5-10-3 м3/с до 7,3 10-3 м3/с, температура на входе в экспериментальный участок горячего воздуха от 50 °С до 190 °С. Экспериментальные исследования проводились при турбулентном режиме течения, следует отметить, что турбулентный режим в большинстве случаев соответствует практическим режимным характеристикам, при течении в рабочих полостях энергетических установок ЛА.

Полученные теоретические результаты распределения параметров по длине осреднялись и сравнивались с экспериментальными и зависимостями полученными по методикам других авторов. Наиболее хорошая сходимость результатов расчета по разработанному алгоритму получена с результатами (М. А. Михеева, Г. А. Дрейцера) [1; 2].

Расхождение теоретических результатов параметров коэффициентов теплоотдачи от воздуха в стенку при степенном и градиентном профиле распределении скорости (рис. 1) объясняется тем, что отношение толщин потери энергии температурного ППС и толщин потери импульсов динамического ППС градиентного и степенного профиля отличны от единицы, несмотря на то, что толщины вытеснения идентичны.

На рис. 2 приведена зависимость теплового потока экспериментальных участков № 1, № 2, в зависимости от объемного расхода и температуры воздуха. В отличии от коэффициента теплоотдачи тепловой поток в значительной степени зависит от температуры из за наличия градиента температур между воздухом и водой и объемного расхода воздуха.

Разработаны алгоритмы расчета параметров течения рабочего тела с учетом теплоотдачи для течений характерных полостям энергетических установок ЛА. Достоверность методики расчета подтверждается сходимостью теоретических, экспери-

ментальных и полученных по другим авторам данных исследуемых участков течения с теплоотдачей прямолинейного равномерного и закрученного потока в трубе (№ 1, № 2).

асре, Вт/м2-к

V °С

Рис. 1. Зависимость среднего по длине коэффициента теплоотдачи от воздуха в стенку в зависимости от объемного расхода и температуры градиентного и степенного профиля распределения скорости экспериментальных участков № 1, № 2

О, Вт

Т ,0С

190

Рис. 2. Зависимость теплового потока от воздуха в стенку экспериментальных участков № 1, № 2 от объемного расхода и температуры

Проведенные экспериментальные исследования течения с учетом теплоотдачи в стенку подтвердили основные допущения и результаты аналитических расчетов параметров течения. Разработана методика, алгоритмы и программы расчета потока с теплоотдачей в полостях вращения, позволяющая проводить оптимизацию в области возможных вариаций конструктивных и режимных параметров узлов и агрегатов энергетических установок летательных аппаратов, по основным конструкторско-эксплуатационным параметрам: распределению скоростей, давлений и температур.

0

Библиографические ссылки

1 Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М. : Энергия. М114, 1976. Ч. 2.

2 Дрейцер Г. А., Кузьминов В. А. Расчет разогрева и охлаждения трубопроводов. М. : Машиностроение, 1977.

3 Кутателадзе С. С. Пристенная турбулентность. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1970.

4 Зуев А. А. Течение и теплоотдача в закрученных потоках. Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т. 8:

Сборник трудов Третьей международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 14-17.03.2007, Санкт-Петербург, Россия / А. А. Зуев, А. А. Кишкин ; под ред. А. П. Куди-нова, Г. Г. Матвиенко, В. Ф. Самохина. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2007.

© Толстопятов М. И., Чернятьев А. Е., Назаров В. П., 2010

УДК 629.7:533.6

А. В. Торопкин Научный руководитель - Е. М. Краева Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ВЫСОКООБОРОТНЫЕ АГРЕГАТЫ ПОДАЧИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК ПЕРСПЕКТИВНЫХ

ТОПЛИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Рассматриваются особенности и работоспособность высокооборотных агрегатов подачи установок ракетно-космического назначения. Рассматривается возможность широкого использования перспективных топлив на основе металлизированных суспензий.

В современных энергоустановках при грамотной компоновке ротора агрегата достигаются требуемые параметры по КПД работоспособности и ресурсу, значения которых для энергоустановок постоянно возрастают.

В настоящее время тип энергоустановки, в которой используется высокооборотный агрегат подачи перспективных топливных компонентов с рабочими колесами открытого типа, достиг высокого уровня технического совершенства и дальнейшее его развитие, в значительной степени, определяется использованием новых, более эффективных топлив. При этом большое внимание уделяется применению добавок металла к известным топливным комбинациям с целью повышения удельного импульса и плотности топлива. Впервые идея использования металлов в качестве горючего рассматривалась советскими учеными Ю. В. Кондратюком и Ф. А. Цандером на рубеже тридцатых годов прошлого века. Однако технические трудности, связанные с организацией рабочего процесса в энергоустановке с горючим в виде металла, длительное время не позволяли осуществить эту идею.

Наиболее вероятными металлами, которые могут быть использованы в качестве добавок, являются Ве, Ы, Вг, А1 и Mg. Наилучшие энергетические характеристики дают добавки бериллия, однако продукты сгорания топлива на его основе весьма токсичны. Алюминий несколько уступает в энергетическом отношении бериллию, но позволяет получать наибольшую, по сравнению с другими металлами, плотность топлива. Кроме того, из всех перечисленных металлов алюминий в настоящее время является самым доступным и дешевым.

Исследования последних лет в ряде организаций [1] показали, что значительное повышение энергетических характеристик энергоустановки можно получить путем перехода к жидким углеводородным горючим с добавками металла в виде тонкодисперсного порошка. Такое горючее было разработано в научно-исследовательском институте прикладной химии, и представляет собой тиксотропную суспензию алюминия в гидразине. Топливо на такой основе называется металлизированным.

Опыт доводки энергетических систем показывает, что одним из сложных и трудоемких этапов является создание агрегата подачи рабочих тел в систему питания. Большие скорости вращения ротора агрегата подачи, достигающие в настоящее время 60 000 и более об/мин, жесткие требования к массе и габаритам, наличие в полостях одного агрегата различных рабочих тел, которые при соприкосновении могут самовоспламеняться [2], накладывают повышенные требования к элементам уплотнительной системы агрегата и, особенно, к уплотнениям по вращающемуся валу [4].

Попадание твердых частиц в место контакта в значительной степени способствует быстрому износу системы уплотнения [3], поэтому обычно рекомендуется при работе агрегата питания на металлизированном топливе обеспечивать промывку зоны контакта чистой жидкостью, что приводит к усложнению конструкции всей энергоустановки.

Исследования в условиях работоспособности высокооборотных агрегатов подачи энергетических установок показали отсутствие вспенивания в полостях раздела «жидкость - газ», наличие существенных утечек по торцовой стенке у вращающегося