Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Кох Андрей Иосифович. Разработка методов испытания и моделирования рабочих процессов впускной системы двухтактных двигателей летательных аппаратов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.07.05 Самара, 2005 155 с. РГБ ОД, 61:05-5/3089

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Принятые сокращения 5

Основные принятые обозначения 5

Введение 6

Глава 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования 11

  1. Двухтактные двигатели сверхлегких летательных аппаратов 11

  2. Цели и пути совершенствования двухтактных ДВС. Роль впускной системы и ее влияние на параметры двигателя 16

  3. Схемы впускных систем и ее узлов 20

  4. Методы расчета рабочего процесса системы впуска и её элементов. 25

  1. Методика расчета впускной системы и рабочего цикла двухтактного ДВС 26

  2. Математическая модель впускной системы с ОПК 27

  3. Математическая модель колебания лепестков ОПК 31

  4. Анализ существующих методов расчета впускных систем с ОПК 33

1.5. Методы испытаний впускных систем и их элементов. 33

1.6. Выводы. Цель и задачи работы. 40
Глава 2. Разработка методов и средств испытания впускной системы при

пульсирующих расходах воздуха 42

2.1. Установка для испытания впускной системы 42

  1. Состав и принципы работы установки для испытания впускной системы при пульсирующих расходах воздуха 42

  2. Аппаратура и методики измерения параметров при испытании впускной системы 46

  1. Показатель газодинамического качества впускной системы 50

  2. Исследования газодинамических характеристик впускных систем двигателя П-032 57

  3. Расчет подобных режимов работы двигателя по результатам испытания на установке 63

2.5 Методика и результаты ускоренных испытаний лепестков ОПК на

вибропрочность 66

2.6. Выводы 68
Глава 3. Разработка методов и средств измерения расхода воздуха и состава

рабочей смеси 70

  1. Основные требования к измерению расхода воздуха в двигателе 70

  2. Особенности измерения расходов с помощью сужающих устройств 71 3.2.1 Основные погрешности измерения пульсирующих расходов с помощью сужающих устройств ; 74

  3. Установка и методика измерения расхода воздуха 76

  1. Состав установки для измерения расхода воздуха в двигателе 76

  2. Методика измерения расхода воздуха 78

  3. Исследования сходимости показаний и оценка точности измерения расхода воздуха с помощью трубы Вентури и стандартной диафрагмы 79

  4. Исследование влияния расходомера на характеристики двигателей при испытаниях 83

  1. Результаты измерения расхода воздуха и состава смеси в двигателе П-032 85

  2. Методика и результаты измерения неравномерности состава смеси

по цилиндрам двигателя 86

3.6. Исследование рабочего процесса впускной системы на «холод
ной» модели ДВС 90

  1. Установка для испытания «холодной» модели двигателя 91

  2. Методика и результаты исследования процесса газообмена во впускной системе 92

  3. Оценка газодинамического качества впускной системы «холодной» модели двигателя П-032 97

3.7. Выводы 98

4 Глава 4. Разработка математической модели рабочего процесса впускной

системы. 100

  1. Расчетная схема газового тракта впускной системы 100

  2. Математическая модель впускной системы 102

  1. Уравнение движения среды во впускной системе 102

  2. Уравнение движения лепестка ОПК 106

  3. Система уравнений впускной системы 107

  4. Расчет аппроксимирующих функций жесткости и инерционности лепестка. 108

  5. Определение коэффициентов трения по результатам расчетов и экспериментальных исследований 111

4.3. Результаты численных расчетов углов раскрытия лепестков и рас
ходов воздуха 115

4.4. Выводы 116
Заключение. Общие выводы по работе 117
Список литературы 119

Приложение «А». Акт внедрения научно-технических разработок
средств и методов исследования рабочих процессов впускной системы
двухтактных ДВС 131
Приложение «Б». Используемые термины 134
Приложение «В». Характеристики двухтактных ДВС для СЛА 141
Приложение «Г». Основные характеристики используемой измери
тельной аппаратуры и первичных преобразователей 145
Приложение «Д». Расчет коэффициента пульсации давления воздуха в
ресивере установки для испытания впускной системы и в ёмкости рас
ходомера 147
Приложение «Е». Расчет АЧХ цифрового фильтра нижних частот 148
Приложение «Ж». Протокол испытания двухтактного ДВС 149
Приложение «И». Записи пульсаций давления в полостях «холодной»
модели двигателя 153

5 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ВМТ - верхняя мертвая точка ВПИ - верхний предел измеряемой величиям ГВТ - газо-воздушный тракт ДВС - двигатель внутреннего сгорания ИВ - значение измеряемой величины KB - коленчатый вал КС - камера сгорания КШК - кривошипно-шатунная камера НМТ - нижняя мертвая точка ОЗУ - оперативное запоминающее устройство ОПК - обратный пластинчатый клапан ПЛМ — подвесной лодочный мотор

СКБМ - Самарское конструкторское бюро машиностроения СКО — среднеквадратическое отклонение СЛА - сверхлегкий летательный аппарат

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Ей - критерий подобия Эйлера Re - критерий подобия Рейнольдса Sh - критерий подобия Струхаля Fr - критерий подобия Фруда М= число Маха R - газовая постоянная к - показатель адиабаты v - скорость потока

г] - коэффициент динамической вязкости р - плотность среды

Введение к работе:

В настоящее время все более широкое применение находят сверхлегкие пилотируемые и беспилотные летательные аппараты (СЛА), имеющие взлетную массу от десятков до нескольких сотен килограмм. В качестве СЛА используются самолеты и гидросамолеты, вертолеты, парапланы и дельталеты. Относительно небольшая стоимость, малые габариты и вес, простота управления, невысокие требования к взлетным площадкам - все это обусловило их широкое распространение. Спортивные и служебные аппараты этого класса, двигатели для них, представляются на крупнейших отечественных и международных выставках авиационной техники [8, 9,10, 40, 60].

Известны примеры военного применения СЛА. Во время операции "Буря в пустыне" для тактической разведки США использовали сверхлегкие дистанционно управляемые аппараты "Пионер", которые совершили 483 полета с общим летным временем 1559 часов [42].

Важным фактором, обеспечившим массовое производство летательных аппаратов рассматриваемого класса, явились современные достижения в разработке и производстве силовых установок с необходимыми характеристиками. Для до звуковых аппаратов обычно используются двигатели внутреннего сгорания мощностью до 100 кВт. На "Пионере" был установлен ДВС "ROTAX-586" мощностью 65 л.с. (47,8 кВт). Двигатели этого назначения имеют ряд особенностей, связанных с требованиями, предъявляемыми к авиационной технике - высокую удельную мощность, достаточно высокую надежность и экономичность. Их создание требует применения наиболее совершенных методов проектирования, технологий производства, всесторонних испытаний.

В настоящее время производством двухтактных двигателей для СЛА за рубежом занимаются около десятка фирм.

В 80-ых годах разработкой и производством подобных ДВС стали заниматься крупные авиадвигателестроительные предприятия России. Самарским КБ

7 машиностроения (СКБМ) были разработаны поршневые двигатели П-020, П-032, силовые установки П-032 MP и П-065 для сверхлегких самолетов, П-037 для винтокрылых летательных аппаратов. Вышеперечисленные ДВС отечественного производства, как и многие модели других фирм, являются двухтактными двигателя с кривошипно-камерной продувкой. По сравнению с четырехтактными такие двигатели имеют значительно меньший вес, более простую конструкцию, меньшее количество деталей, дешевле в производстве.

Отечественные изготовители СЛА в настоящее время в большинстве используют ДВС иностранных фирм. Это объясняется малой номенклатурой выпускаемых двигателей в РФ, их относительно высокой стоимостью, недостаточно высоким качеством. У эксплуатационников и проектировщиков летательных аппаратов имеются пожелания по улучшению параметров и характеристик и в отношении двигателей иностранного производства. Требуются повышение их надежности, ресурса, экономичности, снижения удельной массы.

Характеристики двигателя определяются конструкцией и рабочими процессами, протекающими в трех его основных узлах - во впускной системе, камере сгорания и выхлопном тракте, которые оказывают взаимное влияние и в определенные фазы рабочего цикла газодинамически связаны. Каждый из названных узлов может лимитировать предельные параметры всего ДВС.

Одним из важных направлений для получения наилучших параметров двигателя является совершенствование впускной системы, которая определяет величину расхода воздуха и состав рабочей смеси, величину обратных выбросов смеси из кривошипно-шатунной камеры (КШК). Наиболее сложными являются рабочие процессы при предельных скоростях вращения коленчатого вала, которые стремятся достичь в авиационных двигателях для получения максимальной удельной мощности. Нестационарные процессы в газовых потоках и их динамическое взаимодействие с органами газораспределения начинают оказывать существенное влияние на мощность, экономичность и надежность конструкции. В наибольшей мере это характерно для двигателей, выполненных по оппозитной

8 схеме с обратными пластинчатыми клапанами (ОГЖ) во впускной системе, часто применяемой в силовых установках СЛА.

Большие затраты времени и средств приходятся на доводку параметров двухтактных двигателей. Это объясняется несовершенством используемых в настоящее время методов проектирования и экспериментальных исследований, тем, что основным способом доводки являются трудоемкие и дорогостоящие испытания двигателей. Проверка вносимых конструктивных изменений, из-за отсутствия надежных теоретических основ и экспериментальных данных, проводится в значительной степени методами "проб и ошибок'\

С вышеперечисленными проблемами пришлось столкнуться при разработке и доводке поршневых авиадвигателей в Самарском КБ машиностроения. Их опытные образцы имели недостаточно высокую надежность, в том числе и из-за поломок лепестков ОПК, наблюдалась значительная разность температуры головок цилиндров, что может свидетельствовать о различном составе смеси, поступающей в цилиндры. Некоторые двигатели не выходили на взлетный режим работы, наблюдалось самопроизвольное скачкообразное изменение оборотов при выходе на номинальный режим. Наблюдались выбросы рабочей смеси из всасывающего патрубка. Проведенная работа по настройке выхлопной системы не привела к увеличению мощности двигателя, что может свидетельствовать о том, что расход рабочей смеси и мощность ограничиваются впускной системой.

В связи с вышесказанным актуальными являются разработка новых методов испытания системы впуска, разработка математической модели и расчета рабочих процессов впускной системы авиационных двухтактных ДВС.

Представленная работа обобщает результаты экспериментальных исследований и теоретических разработок, выполненных в СКБМ и СГАУ в период с 1986 по 2004 год.

Работа состоит из четырёх глав и приложений.

В первой главе приводятся характеристики двигателей для СЛА, указана роль впускной системы в обеспечении необходимых параметров силовых устано-

9 вок. Сделан обзор существующих методов экспериментальных исследований характеристик, методов расчета и моделирования рабочих процессов впускных систем. На основе анализа работ, выполненных отечественными и зарубежными авторами, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе изложена методика испытания впускной системы для исследования газодинамических характеристик и надёжности при пульсирующих расходах воздуха на специально созданной установке. Предложенные методы позволяют проводить исследования в широком диапазоне расходов воздуха и частот пульсации, соответствующих условиям работы двигателя. Предложен показатель газодинамического качества, позволяющий делать сравнительные оценки впускных систем различной конструкции. Приводятся результату и анализ выполненных исследований впускной системы двигателя П-032.

В третьей главе описана методика и установка для измерения пульсирующих расходов воздуха, позволяющие проводить измерения с минимальным влиянием на характеристики испытуемого двигателя. Предложена методика измерения неравномерности коэффициента избытка воздуха по цилиндрам ДВС. Приводятся результаты выполненных измерений расходов и состава смеси двигателя П-032. Предложена методика и приведены результаты исследования газообмена на «холодной» модели двигателя:

В четвёртой главе изложена математическая модель впускной системы с ОПК. На основе принятых предположений рабочий процесс описан системой нелинейных дифференциальных уравнений. Система решается численными методами и позволяет рассчитать характеристики впускной системы при заданных начальных и граничных условиях. Приводятся примеры расчетов с исходными данными, соответствующими параметрам впускной системы П-032.

В результате работы созданы и внедрены средства и методики исследований впускной системы. Исследованы характеристики рабочего процесса впускной системы опытных образцов авиационных ДВС. Результаты разработок и исследований оформлены в более чем 12 методиках и отчетах, комплектах черте-

10 жей, выпущенных в СКБМ по инициативе и при участии автора. В числе выполненных разработок:

установка и методика испытания впускной системы с ОГЖ на надежность и газодинамическое качество при пульсирующих расходах воздуха,

установка и методика измерения расхода воздуха двухтактным ДВС;

установка и методика исследования рабочего процесса во впускной системе на «холодной» модели двигателя,

методика измерения неравномерности состава смеси по цилиндрам двигателя,

автоматизированная компьютерная система для измерения штатных параметров и проведения экспериментальных испытаний двухтактных двигателей АСИ-2.

Более полный перечень внедренных разработок и выполненных исследований впускной системы двигателя П-032, оформленных в виде методик и отчетов СКБМ приведен в приложении «А».

Разработана математическая модель рабочего процесса впускной системы, учитывающая влияние

геометрических размеров газовоздушного тракта,

инерционности воздушного потока,

упруго массовых характеристик лепестков ОГЖ.

Результаты работы докладывались автором на 7 региональных и международных научно-технических конференциях. Содержание работы отражено в 12 публикациях в отраслевых, региональных и международных сборниках научно-технических статей.

Ключевые термины, используемые в работе, выделены курсивом, их определения приведены в приложении «Б».

Подобные работы
Огар Петр Михайлович
Контактные характеристики и герметичность неподвижных стыков пневмогидротопливных систем двигателей летательных аппаратов
Надирадзе Андрей Борисович
Прогнозирование воздействия струй электроракетных двигателей на элементы и системы космических летательных аппаратов
Клюева Ольга Геннадьевна
Разработка унифицированных компактных пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов для жидкостных ракетных двигателей
Шабаев Вячеслав Михайлович
Разработка методов и средств испытаний приводов ГПА в условиях ремонтных предприятий
Каримов Тимер Расихович
Математическое моделирование рабочего процесса энергетической установки на базе авиационного ГТД с системой газоснабжения
Лобынцев Юрий Иванович
Теоретические основы рациональной организации процессов подачи топлива и воздуха карбюраторными системами автомобильных двигателей
Геллер Павел Александрович
Низкотемпературные установки для термообработки деталей двигателей летательных аппаратов
Грибин Владимир Георгиевич
Разработка методов повышения эффективности диффузорных элементов проточной части турбомашины
Руссинковский Виталий Сергеевич
Разработка метода расчета вибрации и структурного шума корпусных деталей автомобильных дизелей
Бангоян Эмиль Гайкович
Разработка методов и средств снижения шума выпуска дизелей автопогрузчиков (на примере дизеля автопогрузчика ДВ-1792М)

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net