с 01.01.2019 по 01.01.2023
Оренбург, Оренбургская область, Россия
с 01.01.2016 по 01.01.2019
Оренбург, Оренбургская область, Россия
с 01.01.2016 по 01.01.2019
Оренбург, Оренбургская область, Россия
Оренбург, Оренбургская область, Россия
УДК 62-112.9 Машины по другим видам конструкционного исполнения
ББК 395 Воздушный транспорт
Цель исследования - возможность увеличения тяги турбореактивного двигателя, за счет модернизации соплового блока путем установки на корпус двигателя внешнего контура кольцевой камеры, выполняющего роль сопла. Задача, решению которой посвящена статья - путем модернизации серийно-выпускающегося двигателя добиться получения нового изделия с более высокими режимными параметрами работы при минимальных затратах. Новизна заключается во внедрении кольцевой камеры в уже имеющиеся двигатели, стоящие на серийном выпуске, посредством чего кратно снижаются затраты на производство абсолютно нового изделия обладающего большей тягой. В процессе исследования был получен ряд теоретических преимуществ нового изделия на базе серийно-выпускающегося двигателя, в числе которых увеличенная тяга при минимальном изменении массы агрегата, а также экономическая выгода производства таких агрегатов при минимальной переналадке производства. На этапе теоретического исследования данной темы дооснащенный двигатель с кольцевой камерой имеет ряд преимуществ перед базовым двигателем, взятым за основу.
тяга, двигатель, форсажная камера, аппарат, скорость, сопло, блок
Введение
В истории развития авиационной и ракетной промышленности все более актуальными становятся исследования в сфере модернизации и оптимизации двигательных установок [1-3]. В данной работе предстоит предложить и теоретически обосновать метод модернизации турбореактивного двигателя, за счет которого будет увеличена тяга двигательной установки (ДУ). Тяга – это один из наиболее важных технических параметров реактивного двигателя, от значения которого, в том числе, зависит режим работы ДУ.
Установка кольцевой камеры будет осуществляться сваркой трением, сварка трением – это разновидность фрикционной сварки, соединение деталей происходит благодаря разогреву по средствам трения детали в зоне сварки и ее перемешиванием. После погружения стержень движется вдоль зоны сварки, перемешивая разогретый металл, образовывая после остывания прочное соединение. При этом металл в области шва нагревается до температуры, составляющей 80% от температуры плавления материала свариваемых деталей, при этой температуре метал приходит в состояние сверх пластичности.
Сварка трением обладает большим количеством преимуществ перед другими видами сварки:
– маленький расход энергии
– нет необходимости в особой подготовке кромок
– высокая прочность сварного шва
– при сварке не образуется токсичных газов и других вредных выделений
– не нужна обработка после сварки
– нет дополнительных расходных материалов (электроды, флюсы, газы).
Рассматривать данный вопрос будем на примере типового турбореактивного двигателя, представленного на рис. 1, который включает в себя входное устройство, компрессор, камеру сгорания (КС), а также турбину и выходное устройство. В общем случае принцип его работы заключается в следующем, входное устройство обеспечивает подвод воздуха к компрессору, а также повышает значение давления на входе и в самом компрессоре. Ротор, посредством вращающихся лопаток, закручивает воздух, тем самым обеспечивает его сжатие. В камере сгорания располагается запальное устройство, за счет которого происходит воспламенение смеси. В начале камеры сгорания расположена жаровая труба, а в носовой части форсунки с завихрителями. Компрессор начинает функционировать за счет газовой турбины. Выпускное устройство представлено в виде трубы внутреннего конуса реактивного сопла.
Для того что бы понимать, каким образом можно воздействовать на тягу, необходимо обратить внимание на формулу, показывающую зависимость величины тяги от различных параметров.
Сила тяги определяется формулой:
(1)
где – массовый расход продуктов сгорания;
– площадь выходного сечения сопла;
– давление окружающей среды;
– давление продуктов сгорания на выходе из сопла;
– скорость истечения газа из сопла.
На изменение величины тяги в современных газотурбинных двигателях в большей мере влияют параметры, входящие в состав термодинамического цикла, а также суммарная степень повышения давления воздуха в компрессоре. Исходя из этого вытекает следующая проблема, вышеперечисленные параметры имеют свои определенные предельные значения, которые на данный момент не представляется возможным преодолеть, ввиду отсутствия современных конструкционных и композиционных материалов, которые были бы способны выдерживать подобные сверхвысокие нагрузки.
Рис.1. Конструкция турбореактивного двигателя
Fig. 1. Turbojet engine design
Именно по этим причинам, на сегодняшний день, современное двигателестроение развивается во всех плоскостях оптимизации процессов, способных решить эти вопросы и позволить двигателям работать на других уровнях своих возможностей. Работы идут в самым различных направлениях, таких как двухконтурность, форсажная камера, сопло Лаваля и так далее [4-9]. Процесс исследования данного вопроса не останавливается, поскольку он имеет большую значимость в авиационной промышленности и, соответственно, как никогда актуален на сегодняшний день. В данной статье мы предлагаем рассмотреть теоретический способ увеличения тяги двигателя за счет видоизменения конструкции соплового блока [18].
Предполагаемое решение
Предлагаемая нами концепция модернизации уже существующих серийно-выпускающихся турбореактивных двигателей звучит следующим образом: на наружную поверхность (КС) устанавливается кольцевая камера, которая сообщается с КС с помощью соединительного устройства, кольцевая камера имеет обтекаемую аэродинамическую форму, за счет чего снижается лобовое сопротивление и нивелируется потеря тяги. Модель такого двигателя представлена на рис. 2 [17]. Такое решение может быть использовано при создании как ракетных, так и авиационных двигателей [25].
Рис. 2. Модель двигателя с внешней кольцевой камерой
Fig. 2. Engine model with external annular chamber
Обоснование работы внешнего модуля
Кольцевая камера, установленная на наружной поверхности КС, соединяется с двигателем с помощью соединительного устройства – патрубков, которые расположены по периметру КС [23]. Ось каждого патрубка направлена под определенным углом к силовой стенке. Силовая стенка – передняя стенка кольцевой камеры, образовывающая полуокружность, с обратной же стороны стенка отсутствует (рис. 3).
Рис. 3. Схема соплового блока
Fig. 3. Scheme of the nozzle block
Силовая оболочка камеры сгорания двигателя используется в качестве внутренней стенки кольцевой камеры. Такое решение позволяет снизить вес конструкции и удешевить модернизацию двигателей. Необходимостью будет теплоизоляция внутренней поверхности кольцевой камеры, а в патрубках – установка вкладышей из графита – эрозионностойкого материала [19-22]. Все это необходимо для обеспечения работоспособности и долговечности сопла, ведь воздействие больших температур от сгорания топлива и газовых потоков негативно влияет на детали двигателя.
Патрубки располагаются по периметру КС, оси сечений патрубков направлены в сторону силовой стенки кольцевой камеры. Задача патрубков – обеспечение равномерного заполнения сопла продуктами сгорания топлива, истекающими из
камеры сгорания. В зависимости от величины секундного расхода воздуха и диаметра проходного сечения определяется количество и расположение патрубков в камере сгорания.
По итогу мы получаем большую тягу на выходе, так как величина рабочего давления в камере сгорания остается постоянной, но при этом теперь часть рабочего тела реализуется через патрубки в сопло в виде кольцевой камеры, а часть по-прежнему идет на работу турбин и тягу через основное сопло.
Необходимо рассмотреть зависимость величины тяги от различных параметров двигателя, для этого разберемся, какую зависимость имеют параметры, составляющие формулу (1).
Массовый расход продуктов сгорания определяется формулой:
, (2)
где – коэффициент расхода сопла;
– газовая постоянная;
– площадь критического сопла;
– полное давление продуктов сгорания в конце камеры;
– температура;
, (3)
где – коэффициент адиабаты.
Система трех линейных уравнений позволяет найти зависимости отклонения тяги двигателя от независимых переменных. [10-16, 24]
Практические результаты предлагаемой модели были получены путем симуляции в аэродинамической трубе (рис. 4.).
Эксперименты, проводимые в рижском институте гражданской авиации на двухкамерном ракетном твердотопливном двигателе (РДТТ), подтвердили возможность получения увеличения тяги на 20 %.
Рис. 4. Симуляция модели в аэродинамической трубе
Fig. 4. Model simulation in a wind tunnel
Заключение
Резюмируя данную работу можно сделать ряд выводов, положительно сказывающихся на авиационном двигателестроении:
1) За основу берется двигатель, стоящий на серийном производстве, который дооснащается кольцевой камерой, за счет чего имеется экономическая выгода, нежели перенастраивать производство на абсолютно новое изделие.
2) За счет увеличения тяги, достигаемой путем дооснащения двигателя, снижаются общие требования к агрегату, за счет чего увеличивается ресурс использования двигателя.
3) Кольцевая камера устанавливается с учетом того, что ее внутренняя стенка будет смежной с камерой сгорания, за счет чего разница в массе будет незначительной, по сравнению с прибавкой к эксплуатационным параметрам.
1. Trefhy С.J. Hypersonic engine technology. NASA Lewis Research Center. 1996;10:679.
2. Скоростные самолеты. М.: АСТ, Астрель, 2017. 426 c.
3. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Самолеты и вертолеты. Т.IV-21. Авиационные двигатели. Кн. 3 / В.А. Скибин, В.И. Солонин, Ю.М. Темис и др.; Под ред. В.А. Скибина, Ю.М. Темиса и В.А. Сосунова. М., 2010. 720 с.
4. Склярова А.П., Горбунов А.А., Зиненков Ю. В., Агульник А. Б., Вовк М. Ю. Поиск оптимальной силовой установки для повышения эффективности маневренного самолёта. Вестник Московского авиационного института. 2020;27(4):181-191. doi:https://doi.org/10.34759/vst-2020-4-181-191
5. Омар Х.Х., Кузьмичёв В.С., Ткаченко А.Ю. Повышение эффективности авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей за счёт применения рекуператора. Вестник Московского авиационного института. 2020;27():133-146. doi:https://doi.org/10.34759/vst-2020-4-133-146
6. Омар, Х.Х.О. Повышение эффективности авиационных турбовальных газотурбинных двигателей за счёт утилизации тепла / Х.Х.О. Омар, В.С. Кузьмичев, А.Ю. Ткаченко // Вестник УГАТУ. - 2020. - Т 24, No 3. - С.83-89.
7. Association Of European Airlines: Short-Medium Range Aircraft AEA Requirements. Brussel: AEA, 1989 (G(T)5656)
8. Zhang C., Gummer V. High temperature heat exchangers for recuperated rotorcraft powerplants. Applied Thermal Engineering. 2019;154:548-561. doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.03.119
9. Kim M., Ha M.Y., Min J.K. et al. Numerical study on the cross-corrugated primary surface heat exchanger having asymmetric cross-sectional profiles for advanced intercooled-cycle aero engines. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013;66:139-153. doi:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.07.017
10. Фокин Д.Б., Луковников А.В., Сунцов П.С. Особенности математического моделирования рабочего процесса двухрежимных гиперзвуковых воздушно- реактивных двигателей. Вестник Московского авиационного института. 201;18(2):137145.
11. Egorov I.N., Kretinin G.V., Kostiuk S.S., Leshschenko I.A., Babi U.I. The Methodology of stochastic optimization of parameters and control laws for the aircraft gasturbine engines flow passage components. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2001;123(3):495-501. doi:https://doi.org/10.1115/1.1285841
12. Омар, Х.Х.О. Влияние регенерации теплоты на оптимальные значения параметров рабочего процесса газотурбинного двигателя в системе вертолёта / Х.Х.О. Омар, В.С. Кузьмичев, Загребельный А.О., Григорьев В.А.// Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2020. - Т. 19, No 4. - С. 43-57. DOI:https://doi.org/10.18287/2541-7533-2020-19-4-43-57.
13. Эзрохи Ю.А., Фокин Д.Б., Нягин П.В. Применение методов математического моделирования для оценки характеристик двухконтурного турбореактивного двигателя с общей форсажной камерой. Вестник Московского авиационного института. 2020;27(2):99-111. doi:https://doi.org/10.34759/vst-2020-2-99-111.
14. Filinov E., Tkachenko A., Omar H.H.O., Rybakov V. Increase the Efficiency of a Gas Turbine Unit for Gas Turbine Locomotives by Means of Steam Injection into the Flow Section. The 2nd International Conference on Mechanical, System and Control Engineering (ICMSC 2018). 2018;220. doi:https://doi.org/10.1051/matecconf/ 201822003010
15. Богданов В.И. Исследования по реализации пульсирующих рабочих процессов в реактивных двигателях. Вестник Московского авиационного института. 2017;24(4):100-109.
16. Bowman C.L., Felder J.L., Marien T.V. Turbo- and hybrid-electrified aircraft propulsion concepts for commercial transport. AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium - EATS’2018 (12-14 July 2018; Cincinnati, OH, United States). AIAA 2018- 4984. doi:https://doi.org/10.2514/6.2018-4984
17. Лохтин О.И., Разносчиков В.В., Аверьков И.С. Методика создания 3D-модели летательного аппарата с ракетно-прямоточным двигателем. Вестник Московского авиационного института. 2020;27(2):131-139. doi:https://doi.org/10.34759/vst-2020-2-131-139
18. Xie G.N., Sunden B., Wang Q.W. Optimization of compact heat exchangers by a genetic algorithm. Applied Thermal Engineering. 2008;28(8-9):895-906. doi:https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007. 07.008
19. Серебренникова Н.Ю., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ерасов B.C., Каширин В.В. Гибридные слоистые материалы на базе алюминий-литиевых сплавов применительно к панелям крыла самолета //Авиационные материалы и технологии. 2016. No 3. С. 3-8.
20. Egorov I.N., Kretinin G.V., Leshchenko I.A. Optimal design and control of gas-turbine engine components: a multicriteria approach. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 1997;69(6):518-526. doi:https://doi.org/10.1108/00022669710185977
21. Климов В.Н., Козлов Д.М. Современные авиационные конструкционные сплавы : учеб. пособие. Самара: Самар. нац. исслед. ун-т им. С. П. Королева, 2017. 40 с. ISBN 978-5-7883-1135-7.
22. Савин С.П. Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолетов семейства МС-21. Известия Самарского научного центра РАН. 2012;4-2:686-693.
23. Насонов Ф.А., Морозов Б.Б., Бухаров С.В. К вопросу о ремонте отверстий под разъемные соединения в изделиях из углепластика с помощью установки стеклопластиковой втулки // Наука и технологии. Том 1. Материалы XXXVI Всероссийской конференции, посвященной памяти референта МСНТ Н.Н. Ершовой. - М.: РАН, 2016. С. 91 - 100.
24. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред. Дж. Любина; пер. с англ. А. Б. Геллера, М. М. Гельмонта. Москва : США, 1988. 448 с. ISBN 5-217-00225-5.
25. Химич А.В. Конструктивное исполнение головных обтекателей. Мат. всеросс. науч.-методич. конф. Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры. Оренбург: Изд-во Оренбургского гос. ун-тета, 2016. С. 263-268.
