Разработка и исследование модели управления дозвуковой реактивной струей плоского сопла воздушно-реактивного двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Фетисов, Максим Викторович

• Фетисов, Максим Викторович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фетисов, Максим Викторович

Основные обозначения.

Введение.

1. Проблематика исследования.

1.1. Конструктивно технологические особенности сопел воздушно реактивных двигателей.

1.2. Анализ течения газа в плоских соплах.

1.3. Способы управления реактивной струей в соплах ВРД.

1.4. Постановка задачи исследования.

2. Разработка модели управления реактивной струей плоских сопел ВРД.

2.1. Физическая схема течения в плоских соплах ВРД.

2.2. Математическое описание течения в плоских соплах ВРД.

2.3. Модель управления реактивной струей истекающей из плоского сопла ВРД.

2.4. Границы функционирования и анализ модели.

3. Разработка экспериментального стенда.

3.1. Моделируемые режимы и параметры ВРД.

3.2. Конструктивно-технологические особенности стенда.

3.3. Контрольно-измерительная аппаратура.

4. Экспериментальное исследование течения газа в некруглых соплах ВРД.

4.1. Экспериментально-теоретическое исследование.

4.1.1. Режимы испытаний (планирование эксперимента).

4.1.2. Результаты экспериментально-теоретическое исследование.

4.2. Экспериментально-практическое исследование.

4.2.1. Режимы испытаний (планирование эксперимента).

4.2.2 Результаты экспериментально-практического исследование.

4.3. Анализ результатов испытаний.

5. Верификация расчетной модели и анализ метода газодинамической компенсации потерь в некруглых соплах ВРД

5.1. Сопоставление результатов численного и физического экспериментов.

5.2. Анализ отклонений.

5.3. Программа управления реактивной струей при эксплуатации сопла.

5.4. Эффект компенсации газодинамических потерь.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование модели управления дозвуковой реактивной струей плоского сопла воздушно-реактивного двигателя»

Одним из направлений развития современного авиастроения является создание многоцелевых, малоразмерных, беспилотных летательных аппаратов (БЛА), эффективное функционирование которых требует разработки специальных воздушно-реактивных силовых установок, обеспечивающих тактико-технические характеристики БЛА при приемлемом уровне затрат на их производство и эксплуатацию.

Важным узлом воздушно-реактивного двигателя, во многом определяющим его технические характеристики, является выходное устройство. Современная концепция создания выходных устройств для БЛА предполагает использование плоского (не осесимметричного) регулируемого сопла, обладающего рядом преимуществ по сравнению с круглыми соплами, среди которых следует отметить увеличение маневренности и устойчивости самолета, способность обеспечить большую величину коэффициента подъемной силы при небольших скоростях полета за счет отклонения вектора тяги сопла, простоту конструкции сопла и управляющего механизма.

Однако, применение таких выходных устройств требует решения целого ряда научно-технических проблем, среди которых наиболее актуальными являются задачи компенсации повышенных газодинамических потерь, определяемых формой поперечного сечения сопла, неравномерным нагревом, вызывающим коробление створок и затрудняющим их уплотнение, что ведет к асимметричным утечкам газа и не управляемому отклонению вектора тяги.

Поэтому исследования направленные на разработку способов снижения газодинамических потерь и управления реактивной струей в плоских соплах малоразмерных ВРД являются актуальными для решения важной научно-технической проблемы современного авиадвигателестроения - обеспечения надежности и эффективности малоразмерных силовых установок для БЛА.

Данная работа посвящена созданию и испытанию модели плоского эжекторного сопла реализующего в себе газодинамический способ компенсации ассиметричных газодинамических потерь ведущих к не осесимметричному истечению струи газа.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Фетисов, Максим Викторович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Современная концепция создания малоразмерных воздушно-реактивных двигателей предполагает использование плоского регулируемого сопла, внедрение которого сдерживается высоким техническим риском, обусловленным недостатком данных по использованию таких выходных устройств в составе летательного аппарата, а также повышенными газодинамическими потерями, включая неуправляемое отклонение вектора реактивной струи от осевого направления, связанное с технологическими утечками газа, что существенно влияет на управляемость летательного аппарата. В связи с этим возникает необходимость в изучении процессов, происходящих при функционировании таких выходных устройств в составе малоразмерного ВРД.

2. Для исследования процесса функционирования плоских выходных устройств малоразмерных ВРД разработана и верифицирована модель компенсации неуправляемого отклонения вектора реактивной струи, истекающей из плоского сопла малоразмерного ВРД. При этом:

-предложен газодинамический метод управления вектором реактивной струи дозвуковых сопел малогабаритных двигателей, основанный на эффекте Коанда;

- на основе интегральных методов составлены методика и программа для расчета изменения параметров смешивающихся потоков в плоском эжекторном сопле при произвольном задании формы профиля стенок сопла, позволяющая на этапе проектирования определить ожидаемую величину и программу компенсации нефункционального отклонения вертикальной составляющей вектора реактивной струи из-за асимметричных утечек газа.

3. Сформирован комплекс испытательных средств для исследования и моделирования условий взаимодействия реактивной струи, истекающей из плоского сопла, с воздухом окружающей среды, включающий натурную модель дозвукового сопла малогабаритного двигателя, реализующую газодинамический способ управления положением реактивной струи, основанный на эффекте Коанда.

4. Исследованы закономерности влияния утечек газа на эффективность их газодинамической компенсации путем асимметричного контакта дозвуковой реактивной струи, истекающей из плоских регулируемых сопел, с окружающей средой.

При этом установлено, что: -разряжение над обтекаемым профилем распространяется на достаточную глубину (F= 0,5-^0,6), вследствие чего силы, вызванные перепадом давления, приложены не только к тонкому слою газа, непосредственно прилегающему к поверхности профиля, но и к значительной части потока, сопоставимой по высоте с длинной профилированной стенки, расположенной над ним, что приводит к изменению направления течения струи газа;

-зона возвратно-циркуляционного течения не препятствует присоединению струи к поверхности профиля стенки сопла, благодаря области разряжения, образующейся над профилем;

- результаты расчетов параметров реактивной струи удовлетворительно согласуются с экспериментами в исследованном диапазоне режимов работы двигателя (отличие около 5%);

- при одной и той же частоте вращения ротора осевая тяга при открытых заслонках оказывается в среднем на 10-14% выше, чем при закрытых заслонках, что связанно с эжекцией воздуха в сопло;

- при асимметричном открытии заслонок эжекторного насадка осевая составляющая тяги уменьшается, что объясняется появлением вертикальной составляющей тяги;

-на исследованных режимах работы выходного устройства отмечено отклонение реактивной струи в диапазоне 4,5-10°, что соответствует появлению вертикальной составляющей тяги около 4-6 кгс; - управляющее воздействие на реактивную струю на 20-30% превышает необходимое значение для компенсации влияния технологических утечек, что определяет дополнительную возможность управления вектором тяги двигателя и повышает маневренность летательного аппарата.

5.Разработанный расчетно-экспериментальный комплекс оценки параметров реактивной струи плоского сопла, модель функционирования и конструкция выходного устройства двигателя позволили повысить технические характеристики малоразмерного ВРД, а также сократить сроки проектирования силовой установки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фетисов, Максим Викторович, 2007 год

1. Ю.К. Аркадов. Оптимальный газовый эжектор с заданной скоростью низконапорного газа. // Труды ЦАГИ 1969 г. № И 55.

2. Ю.К. Аркадов. Оптимальные системы газовых эжекторов. // Труды ЦАГИ 1969 г. №1185.

3. Ю.К. Аркадов. Влияние числа щелей на работу газового эжектора с перфорированным соплом. // Труды ЦАГИ 1969 г. №1185.

4. Н. Баранов и др. Сверхманевренность средство побеждать. // Авиапанорама. 1999. Январь-февраль. С.34 - 41.

5. Бай Ши-и. Теория струй. //Гос. Издат. Физ-мат литературы 1960г.

6. К.К. Баулин. О расчете эжектора. // «Отопление и вентиляция», 19386.

7. Ю.Н. Васильев. К теории газового эжектора. // Труды ЦАГИ, 1954.

8. А.С. Гиневский. Теория турбулентных струй и следов. // М., «Машиностроение» 1969.

9. Е.Г. Зайцев, Г.М. Рябинков. Исследование течения газа в камере смешения эжектора. // Труды ЦАГИ, 2398, Москва 1988.

10. Б.М. Киселев. Расчет одномерных газовых течений. // ПММ. 1947, II вып. 1.

11. Н.Ф. Красноф. Аэродинамика. // М. Ч. I, II, 1980.

12. Н.Ф. Красноф, Е.Э. Боровский, А.И. Хлупнов. Основы прикладной аэрогазодинамики // Москва «Высшая школа» 1990 ст. 28

13. Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. // М.: Наука, 1970.572 с.

14. В.В. Ледяев, В.И. Соболев. Математические аспекты теории аэрометрии высотно-скоростных параметров. // Журнал «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика». Москва. №8.-2000. с 55-56.

15. В.В. Ледяев, В.И. Соболев. Математическое моделирование приемников воздушных давлений дозвуковых скоростей. // Журнал «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика». Москва. №8.-2000. с 50-54

16. JI.A. Маслов Расчет обтекания кольцевого крыла // Ученые записки ЦАГИ. Том X, №1, 1979.-С.1-9.

17. Л.А. Маслов. Метод расчета обтекания тела вращения любой формы при произвольном движении в идеальной жидкости. // Ученые записки ЦАГИ. 1970. Т.1. №2. С.1-10.).

18. К.А. Малиновский, А.А. Овчинников, М.В. Фетисов. Исследование возможности управления газовой струёй с использованием эффекта Коанда. // Авиационная промышленность №1/2005.

19. А.А. Овчинников, В.В. Ледяев, М.В. Фетисов, Перспективные устройства управления дозвуковыми газовыми струями. // Авиационная промышленность №1/2005.

20. А.А. Овчинников, К.А. Малиновский, М.В. Фетисов. Отклонение реактивной струи путем ассиметричного присоединения массы атмосферного воздуха в эжекторном сопле ВРД. // XXXI Гагаринские чтения Тезисы докладов молодежной научной конференции. Москва 2005 г.

21. Н.В. Самойлова. Расчет дозвукового эжекторного увеличителя тяги. // Труды ЦАГИ, 2150, Москва 1982.

22. Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. Струйные аппараты. // М. Л., Госэнергоиздат, 1960.

23. В.А. Скибин и др. В новый век с новыми идеями. // Фундаментальные и прикладные проблемы космонавтики. 2000. №4. С. 2-11.25. «Союз» Живет. // Авиасалоны мира №4 (29) 2004 стр. 33.

24. М.В. Фетисов. Плоские сопла. // XXX Гагаринские чтения Тезисы докладов молодежной научной конференции. Москва 2004 г.

25. М.В. Фетисов, В.Г. Попов, К.А. Малиновский. Анализ существующих поворотных сопел. // Сборник трудов МАТИ. Москва 2004г.

26. С.А. Христианович, В.Г. Гальперин, М.Д. Миллионщиков, Л.А. Симонов. Прикладная газовая динамика. // БНТ НКАП, 1948.

27. С.А. Христианович. О расчете эжектора. В сб. «Промышленная аэродинамика» // БНТ НКАП, 1944.

28. С.А. Чаплыгин. О газовых струях Ученые записки Московского университета // Отд. Физ-матем. Наук, в. 21, 1904

29. Е.А. Шумилкина. Экспериментальное исследование влияния негерметичности оболочки эжектора на его характеристики. // Труды ЦАГИ, 2150, Москва 1982.

30. О.В. Яковлевский. Гипотеза об универсальности эжекционных свойств турбулентных струй газа и ее приложения. // Изв. АН СССР, ОТН, 1961 г. №3.

31. Р.Т. Bervilaqua. A lifting surface theory for thrust augmenting ejectors. // AIAAJ., 1978/

32. K.A. Deere. Computational Investigation of the Aerodynamic Effects on Fluidic Thrust Vectoring // 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit July 17-19, 2000 / Huntsville, AL.83

33. J.D. Flamm. Experimental Study of a Nozzle Using Fluidic Counterflow for Thrust Vectoring. // 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit July 13-15. 1998. Cleveland.

34. K.R. Hedges, P.G. Hill. Complssible flow ejectors. // J. of Fluids Engineering. Transaction of the ASME. September 1974, pp. 272-280.

35. C.A. Hunter and K.A. Deere. Computational Investigation of Fluidic Counterflow Thrust Vectoring // 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit June 20-23, 1999 / Los Angeles, CA.

36. A. Karen, Bobby L. Berrier, Jeffrey D. Flamm. Computational study of fluidic thrust vectoring using separation control in a nozzle // The 21st AIAA Applied Aerodynamics Conference AIAA-2003-3803 June 23-26, 2003, Orlando, Florida.

37. A. Karen. Summary of fluidic thrust vectoring research conducted at NASA langley research center // The 21st AIAA Applied Aerodynamics Conference AIAA-2003-3800 June 23-26, 2003, Orlando, Florida.

38. I.H. Keenan, E.P. Neuman. Lustwerk F. An investigation of ejector design by analysis and experiment. // J. Appl. Mech., 1950, vol 17,№3.

39. HJ. Kowal. Advances in thrust vectoring and the application of flow -control technology. // CASI. 2002. PP.145-151.

40. Mark S. Mason, William J. Crowther. Fluidic thrust vectoring of low observable aircraft // Ceas Aerospace Aerodynamic Research Conference, 10-12 June 2002, Cambridge, UK.

41. Research leads to lighter weight uav nozzle // Air Force Research Laboratory, contact tech connect, afrl/xptc, [phone] and you will be directed to the appropriate laboratory expert. (G3-OSR-07).

42. J. Reba, Applications of the Coanda effect, Sci. American, June 1966, p84.92.

43. Dr. Thomas Beutner. Research Leads to Lighter Weight UAV Nozzle // fosr/na [phone].

44. Дубов НА., Лаврухин Г.Н, Ломакина М.П Реактивные сопла гиперзвуковых летательных аппаратов (по материалам открытой иностранной печати): Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 629, 1983.

45. Жданов В.Т., Соколов В.Д., Лаврухин Г.Н., Толчев В.А., Курилкина П.И. Сопла воздушно-реактивных двигателей. (По материалам иностранной печати за 1965-1971гг.): Обзор БНТИ ЦАГИ.№ 383, 1972.

46. Лаврухин Г.Н, Павлюков Е.В., Полищук Г.И. Проблемы компоновки реактивных сопл на современных сверхзвуковых самолетах. Часть 1. Аэродинамика реактивных сопл ВРД (по материалам иностраннойпечати): Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 533, 1978.

47. Лаврухин Г.Н., Мерекин Д. В. Влияние формы канала на характеристики выходных устройств // Ученые записки ЦАГИ. 2002. Т. XXXIII. № 1-2.

48. Лаврухин Г.Н, Полищук Г.И. Плоские сопла в интегральных самолетных компоновках. (По материалам открытой иностранной печати за 1972-1978 гг.): Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 586, 1980.

49. Лаврухин Г.Н Характеристики плоских сопл перспективных и маневренных истребителей: Реферат ОНТИ ЦАГИ. № 587, 1980.

50. Лаврухин Г.Н Использование плоских сопл на сверхзвуковых истребителях: Реферат ОНТИ ЦАГИ. № 594, 1981.

51. Лаврухин Г.Н Характеристики плоских сопл в статических условиях: Реферат ОНТИ ЦАГИ. NQ 598, 1981.

52. Лаврухин Г.Н, Полищук г.и. Сопла вертикально взлетающих самолетов и самолетов с коротким взлетом и посадкой. (По материалам иностранной печати за 19701980 гг.): Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 608, 1982.

53. Лаврухин Г.Н, Плоцкий А.И. Сопла самолетов 90-х годов. (По материалам открытой иностранной печати за 1978-1983 п.): Обзор ОНТИ ЦАГИ. №655, 1985.

54. Лаврухин Г.Н, Широкопояс Е.П. Проблемы аэродинамики выходных устройств перспективных самолетов. Часть 11. Экспериментальные исследования реактивных сопел современных и перспективных самолетов: Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 271, 1993.

55. Лапин В.А. Расчет течения около хвостовых частей обтекателей газогенераторов ТРДД с большой степенью двухконтурности // Труды ЦАГИ. 1983. Вып. 2175.

56. Соколов В.Д., Лаврентьева З.И Аэродинамика реактивных сопел ВРД (по материалам иностранной печати за 1956-1964 гг.): Обзор БНИ ЦАГИ. №116, 1964.

57. Левин М.А. Перспективные зарубежные истребители. (По материалам открытой зарубежной печати): Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 710, 1990.

58. Нечаев Ю.Н, Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Часть 1. -М.: Машиностроение, 1977.

59. Нечаев Ю.Н, Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Часть П. -М.: Машиностроение, 1978.

60. Нечаев Ю.Н Теория авиационных двигателей. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1990.

61. Нечаев Ю.Н Перспективы развития силовых установок гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М.: ВВИА им. проф. Н.З. Жуковского, 1995.

62. Нечаев Ю.Н Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М.: Академия Космонавтики им. К.Э. Циолковского, 1996.

63. Павленко В.Ф. Силовые установки с поворотом вектора тяги в полете. М.: Машиностроение, 1987.

64. Шуякова Р.П. и др. Экспериментальные зарубежные самолеты (по материалам открытой зарубежной печати): Обзор ОНТИ ЦАГИ. № 708,1990.

65. Шуякова Р.П. и др. Преспективы развития зарубежных военных самолетов (по материалам открытой зарубежной печати): Обзор ОНТИ ЦАГИ. №711, 1990.

66. Sedgwick Т. A. Investigation of Non-Symmetric Two-Dimensional Nozzle Installed in Twin-Engine Tactical Aircraft // AIAA Paper №75-1319.1975.

67. Stevens H.L., Thayer E.B., Fullerlon J.F. Development of the multifunction 2-D/CD nozzle// AIAA Paper №81-1491.1981.