Тема: Эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель с прогрессивной тяговой характеристикой

В настоящее время беспилотные летательные аппараты широко используются в различных сферах деятельности. Перспективное направление развития беспилотной авиации — разработка эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя простой конструкции, обусловленной отсутствием подвижных деталей, низкозатратного в производстве [14, 22]. Преимуществом данной конструкции является прогрессивная тяговая характеристика, когда с увеличением скорости набегающего потока увеличивается наполнение воздухом камеры сгорания, и, как следствие, тяга двигателя возрастает [16–21].
Пульсирующее горение — горение, характеризующееся колебательной составляющей. В литературе такое горение также называют вибрационным и пульсационным. В области пульсирующего горения наблюдаются изменения давления, скорости течения и других параметров газа в соответствии с законом, близким к гармоническому.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) представляет собой силовую установку, реализующую пульсирующее горение в качестве рабочего процесса. Существует множество различных конфигураций ПуВРД, которые можно упрощенно классифицировать следующим образом:
а) наличие эжекторов и их расположение:
эжекторные:
- эжектор во впускном тракте,
- эжектор в выпускном тракте,
- эжекторы во впускном и выпускном трактах;
безэжекторные;
б) наличие клапана во впускном тракте и его тип:
клапанные:
- механический клапан,
- аэродинамический клапан;
бесклапанные;
в) расположение впускного тракта:
передний впускной тракт,
задний впускной тракт (включая U-образные ПуВРД),
боковой впускной тракт (T-образные ПуВРД);
г) расположение впрыска топлива:
впускной тракт,
камера сгорания,
смешанный впрыск;
д) поддерживаемый режим горения:
дефлаграционный,
детонационный.
На рисунках 1, 2 показана схема упрощенной классификации ПуВРД.
Купить

В ходе выполнения работы были определены следующие источники автоколебаний в данной конфигурации ЭПуВРД: для двигателя, обдуваемого потоком воздуха без теплоподвода, частным случаем которого является горение, это изменение площади сечения канала, по которому движется поток, и соответствующие изменения скорости и давления в потоке. Для работающего двигателя источником автоколебаний является теплоподвод.
В первом разделе были рассмотрены пульсирующие воздушно-реактивные двигатели различных конфигураций. Были описаны их конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Разнообразие конфигураций пульсирующих воздушно-реактивных двигателей, имеющих значительные отличия в конструкции, свидетельствует об отсутствии единой методики разработки двигателей данного типа.
Во втором разделе, посвященном стендовым испытаниям бесклапанного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, показаны результаты определения резонансных частот двигателя при наличии и отсутствии теплоподвода. Было определено, что пульсация тяги двигателя имеет вид близкий к гармоническому колебанию. Частота пульсаций тяги и давления в камере сгорания составляет 115 Гц. Также определялась резонансная частота двигателя, продуваемого потоком воздуха, но без подачи топлива и процесса горения как такового, которая составила 100 Гц, что свидетельствует о наличии различных источников энергии и механизмов, подводящих энергию к колебательной системе эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, поддерживающего акустические автоколебания газа.
В третьем разделе показаны результаты численных газодинамических расчетов при отсутствии теплоподвода. Установлено, что из-за возникающего увеличения сечения канала при движении воздушного потока из второй впускной трубы в камеру сгорания возникает не только снижение скорости, что мы и наблюдаем по результатам численных расчетов, но и возрастание давления в камере сгорания. Появление области с высоким давлением, и, соответственно, высоким сопротивлением движению потока приводит к тому, что воздух, продолжающий двигаться внутри первой впускной трубы, выбрасывается в атмосферу через зазор между её задним срезом и передним срезом второй впускной трубы. Количество поступающего в камеру сгорания воздуха уменьшается, давление падает до прежнего значения. Цикл повторяется. Таким образом, можно заключить, что данная конфигурация ЭПуВРД представляет собой разновидность струйного резонатора Гельмгольца.
В четвертом разделе показаны результаты аналитических расчетов с использованием метода электроакустических аналогий. Согласно этому методу, проточная часть двигателя делится на участки малого поперечного сечения (открывающиеся на обоих концах в большие объёмы) - сужения, и объёмы большого поперечного сечения (сообщающиеся на обоях концах с сужениями) - расширения. Воздух в сужениях при движении даёт инерционную реакцию, характеризуемую массой, поэтому электрическим аналогом сужения служит индуктивность, воздух в расширениях обладает упругой реакцией, поэтому электрическим аналогом расширения является ёмкость. Учитывая расположение сужений и расширений относительно друг друга, строится схема электрической цепи, являющаяся электроакустическим аналогом двигателя. Результаты расчета резонансной частоты исследуемого двигателя показали, что при температуре воздуха равной 20 °C она составляет 101 Гц, что достаточно хорошо коррелирует с результатами эксперимента, что подтверждает соответствие исследуемого двигателя резонатору Гельмгольца.
В пятом разделе показаны результаты численных газодинамических расчетов при наличии теплоподвода. Установлено, что фазовый сдвиг между колебаниями теплоподвода и давления действительно составляет менее п2, что подтверждает предположение о том, что источником автоколебаний в работающем двигателе является теплоподвод.

Купить