автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.01, диссертация на тему:Исследование и разработка вихревых устройств для снижения потерь в выхлопных каналах

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ Т2ХНМЧЕСКЙ1 УНИВЕРСИТЕТ

ЯКОВЛЕВ АЛЕКСЕЙ БОРИСОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВИХРЕВЫХ 'УСТРОЙСТВ ■ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ В ВЫХЛОПНЫХ КАНАЛАХ

Специальность 05.07.01. Аэродинамика и процессы . ' " :ельных аппаратов

1 I I.)

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК-1996

Работа выполнена на кафедре "Двигатели летательных аппаратов" "■некого государственного технического университета при частичной поддержке грантом Министерства общего и профессионального образования по Фундаментальным исследованиям в области машинсстроения.

Научный руководитель - Б.И.Кузнецов, д.т.н.. профессор, академик

АТ РФ к МАХ. заведующий кафедрой "Двигатели летательных аппаратов" ОмГТУ

Официальные оппоненты - Д.К.Горелов; д.т.н.. профессор, академик

АТ РФ. заведующий отделок математического моделирования в механике института информационных технологий и прикладной математики СО РАН -

Ю. И. Матяш, к. т. я.. начальник лектора АО "Сибкриотехника"

Ведущая организация - Омское моторостроительное производственное

объединение.им. Баранова (г.Омск;.'. 644021. г.Окск-21. ул. Б.Хмельницкого. 28?

Защ£Г£ состоится " ," о'е/^&З/?*? а99_*Г г.

в ^ часов на заседании „нссертационного совета К 063.23.04 ь Омском государственном техническом укверептг^е по адресу: 644050, г. Омск-50, проспект Мира. 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета. .

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой пе-* чатыо организации, прочим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан ■■ КО & с/29 ■ г

Ученый секретарь дассертационнбго совета к. т. н.. доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнхть работы. Работа посвящена исследованию зихрэзых уст-РОЙСГЕ для снижения потерь з выхлопных каналах. В настоящее Бремя область применения аппаратов, реализующих вихревые движения газа. - зих-ревых устройств (ВУ), достаточно широка. Благодаря своим особенностям: простоте конструкции, небольшим размерам и кассе, отсутствию движущихся частей, надежности, всгмозиости осуществлять одновременно несколько процессов (охлаждение, нагревание, осушка, .¿чистка и т.д.) и использовать в качестве рабочего тела практически любой газ или смесь газог -ВУ используются в холодильной технике, авиа-, ракето- и машиностроении, нефтехимической и горнодобывающей промышленности и т.д.

Однако серьезным недостатком ВУ является относительно низкая эффективность, связанная с большой затратой энергии на сжатие рабочего тела. Необходимо также отметить, что ЗУ еще не доведены до оптимальных показателей и их энергетические характеристики в дальнейшем могут быть улучшены. ■

Имеются широкие * экспериментальные исследования по поиску оптимальных параметров ВУ. однако их постановка обходится довольно дорого. Комбинируя экспериментальные и теоретические, методы исследования аэродинамики ВУ, применяв и совершенствуя физические и математические модели, можно значительно уменьшить продолжительность и сто"мость разработок. Таким образом, работы по определению оптимальных геометрических и режимных параметров, созданию математических моделей и методик расчета ВУ, актуальны и имеют большое народнохозяйственное значение. -.

Цель- и основные задачи работы. Теоретическое и экспериментальное исследования ВУ для снижения потерь в выхлопных.каналах для определения оптимальных конструктивных и режимных параметров этих устройств. Для этого необходимо теоретически исследовать -вихревое движение'газа для получения максимального расхода и разработать математическую модель ВУ; составить методику расчета оптимальных геометрических размеров и параметров газа на выходе ВУ для увеличения расхода газа через зыхлопной тракт; спроектировать ВУ для стечения гидравлического сопротивления и увеличения расхода через выхлопной тракт двигателя внутренние сгорания (ДЗС) и авиационного турбовального двигателя (ТВД); разработать экспериментальную установку и провести йсследсЕ. лние ВУ с делью увеличения расхода через выхлопной тракт.

Методы исследогэнмя. -В работе использованы следующие методы: 1) теоретические - аналитические методы решения дифференциальных урав-1ещ:й; современные методы прсгрэмпровзния на ЭВМ; статистические пето-

; обраоотки экспериментальных данных: б) •, экспериментальные - современные методы планирования и проведения эксперимента при оптимизации многофакторных процессов.

Научная новизна. В результате исследований разработаны ВУ для снижения гидравлического сопротивления и увеличения расхода газа через выхлопной тракт ДВС и ТВД, новизна которых защищена свидетельством на полезную модель; предложена математическая модель подобного ВУ для снижения потерь в выхлопном канале; составлена методика расчета оптимальных геометрических размеров и параметров газа на заходе ВУ для увеличения расхода газа' через выхлопной ;тракт; разработана программа соответствующего инженерного'расчета на ЭВМ.

Практическая ценность работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны ЗУ для снижения потерь в .выхлопном тракте ДВС и ТВД. позволяющие повысить мощность, - снизить удельный расход топлива, и даны рекомендации, по их конструированию. Составленная методика расчета ВУ и разработанная программа ' соответствующего инженерного расчета на ЭВМ позволяют определять оптимальные геометрические размеры и параметры газа на зыходе из устройства.

Реализация результатов работы. . Результаты проведенных исследований, разработанные конструкции, рекомендации по их проектированию, методика расчета оптимальных параметров ВУ и соответствующая программа инженерного расчета на ЭВМ.использованы и приняты в качестве рекомен-дационных материалов для проектирования и расчета подобных устройств АО "Омское моторостроительное конструкторское бюро" (г.Омск). Условный годовой экономический эффект от знедрекия' результатов работы составил 50 млн. руб.

Полученные результаты могут оыть рекомендованы к использованию на предприятиях машиностроения, занимающихся разработкой, созданием и производством ДБС и авиационных двигателей, а также в учебном процессе при изучении отдельных разделив дисциплин "Аэрогазодинамика", "Авиационные двигатели" и "Пневмогидрссистема летательных аппаратов".

Результата практического использования работы и их реализация в. промышленности подтверждены соответствующими документами.

Достоверность результатов заботь; обусловлена применением современных методов планирования и прозедешя эксперимента, статистических методов обработки экспериментальных данных. Предельная относительная погрешность однократного определения величин расхода и давлений составляет ± 3,42 % и 4 1,4 X соответственно.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной ' научно-технической

4

конференции "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск,1995); на % Международном форуме по тепломассообмену (г.МинсклЭЭб): на Международной конференции "Математические модели и численные методы механики сплошных сред" (г.Новосибирск. 1996); на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы машиноведения" (г.Гомель. 1996); на семинарах и заседаниях кафедр Омского государственного технического университета.

Публикации. По результатам исследований опубликованы 7 печатных работ, получено положительное решение о выдаче свидетельства на полезную модель.

Структура и. объдм работу. . Диссертационная работа состоит из введения. четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. "бщий ооьем составляет 213 с.. в. ;ом числе основного текста 138 е.. 53 рис. и 6 табл. на'39 е.. список литературы (119 наименований) на 12 с.: 2 приложения на 24 с;

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ1

Во введении обоснована, актуальность работы, посвященной исследованию вихревых движений газового потока, сформулированы новизна и практическая значимость исследования.

В первой главе проведен обзор и анализ с стояния работ по исследованиям вращающихся потоков газа, рассмотрены некоторые устройства, реализующие вращательные движения, 'и область их применения.

К ВУ относятся прежде всего различные центробежные, циклонные (ЦК), циклонно-вихревые й вихревые камеры (ВК), вихревые трубы (ВТ), циклоны, вакуум-насосы (ВН) и т.п. Общим для них являете:-! радиальное перемещение' вращающегося потока, вследствие чего тангенциальная скорость с приближением к оси вращения возрастает, достигает максимума и падает до нуля на оси.

Одним из перспективных направлений развития ВУ является создание и исследование ВТ, использующих эффект энергетического разделения потока газа (вихревой эффект Ранка), получивших широкое распространение благодаря работам Ж. Ранка, Р.Хилша, ,'С.Фултона. В. С. Мартыновского, М.Г.Дубинского, А.П.Меркулова. В.И.Метенина. В.И.Кузнецова, A.B.Мартынова, А.Д.Суслова и др. Многочисленные экспериментальные исследования для определения оптимальных геометрических размеров ВТ сочетались с теоретическими изысканиями, позволившими создать . несколько гипотез, объяснявших эффект Ранка. Некоторые Из них (гипотеза взаимодействия вихрей А.П.Меркулова. гипотеза о передаче избыточной энергии от осевых

.-.'ь газа периферийным силами вязкости -В.И.Кузнецова) дают хорошее ..с.впадение с экспериментальными данными, на их основе строятся методики определения оптимальных параметров ВТ. Несмотря на низкую эффективность ВТ. в ряде случаев целесообразно применять вихревые холодиль-но-нагревательные аппараты. Это обусловлено наличием у ВТ ряда преимуществ. о которых уже говорилось выше.

Способность ВТ создавать в приосевой области вихревой зоны пониженные давления может быть использована для получения очень высоких эффектов охлаждения (самовакуумирующиеся ВТ) и в аппаратах, используемых для эжекции газовых потоков и вакуумирования замкнутых объемов -- вихревых ВН. Данный класс ВУ был детально исследован А.П.Меркуловым, Н.Д.Колышевым. К.Г. Дубинским, В.И.Метениным. В. Г. Воловым. Б. В. Бобровым. А.В.Ильиным, В.И.Епифановой и др. Положительные особенности вихревых эжекторов (компактность и способность работать -в широком диапазоне изменения режимных параметров) позволяют с успехом применять ¡и для создания пылесосов. пнеЕмовихревых мелкодисперсных распылителей лакокрасочных материалов, вихревых карбюраторов и топливных Форсунок, для утилизации ..изкопотенциальных водяных паров и т.д.

К отдельному классу ЬУ можно отнести ЦК. ВК. циклоны и циклонные топки. Отличительной особенностью циклонного потока является сложное пространственное поле скоростей, обусловленное геометрией циклона (тангенциальный подвод воздуха, центральный выход, различно расположенные по длине камеры входные опла и др.).. Обширные исследования Вл и ЦК. проведенные Д.Н.Ляховским, Г.Ф.Кнорре. М. А.Наджаровым. А.Н-Шты-мом, Э.Н.Сабуровым. И.И.Смульскик. Э.П.Волчковым, вылились ь ряд интересных конструкций. Ряд исследований вихревых движений выполнен М. А. Гольдштиком совместно с коллегами. Ими рассмотрены теоретические вопросы, связанные с вращением потока в трубе, формированием закрученной струи на выходе из завихрителя, эффектом Ранка, выдвинуты, теоретически обоснованы и экспериментально опробованы несколько оригинальных и ".ей по использованию ВУ. ■

Публикации многих исследователей, как зарубежных, так. и. отечественных. в этом кратком обзоре не упомянуты. Кроме этого, в первой главе отдельно рассмотрен .опрос применения ВУ В летательных аппаратах.

На основании анализа публикаций Еыявлена актуальность исследования и сформулированы его основные задачи. Необходимо: 1)провести теоретическое исследование вихревого движения газа с целью получения максимального расхода; 2) разработать математическую модель вихревого движения газового потока с целью получения оптимальных значений режнм-ных и конструктивных параметров устройства для увеличения расхода га-

б

за: 3) решить математическую модель и составить методику расчета о г.": мальных параметров вихревого устройства для увеличения расхода газа; 4) спроектировать вихревые устройства для снижения гидравлического сопротивления и увеличения расхода через выхлопной тракт ДВС и авиационного ТВД; 5) разработать экспериментальную установку и провести лабораторный эксперимент с целкю увеличения расхода через выхлопной тракт ДВС. . . '

Во второй главе рассмотрен один из способов повышения эффективности работы ДВС и ТВД - снижение давления то оси выхлопного устройства. Чем меньше будет давление газа на срезе выхлопного устройства ДВС. тем меньше будет давление в цилиндре на выхлопе и соответственно меньше будет потребление эгергиа. на организацию выхлопа. Для ТВД снижение давления по оси выхлопного устройства приведет к увеличению перепада давления на свободной турбине. В результате мощность двигателя будет расти, а удельный расход топлива - снижаться. Это приведет также и к уменьшению токсичности отработавших газов.

Достигнуть снижения давления по оси выхлопного устройства можно, организовав закрутку периферийной части потока отработавших газов в выхлопном канале. Ниже представлены два подобных устройства для ДВС ТВД, в создании-которых принимал участие автор.

Выхлопное устройство для ДВС (рис.1) содержат выхлопную трубу 1, завихритель 2. -трубопровод 3 подачи части потока выхлопных газов на вход завихрителя 2. Вход завихрителя 2 выполнен в виде сопла 4. Сопло может быть прямоугольного% либо круглого сечения. Профиль внутренней, поверхности Камеры 5 завихрителя 2 выполняется спиральным или тангенциальным.. Минимальный радиус спирального соплового ввода должен быть равен внутреннему радиусу выхлопной трубы 1. Внутренняя товерхность соплового ввода и камеры завихрения 5 должна быть тщательно обработана во избежание увеличения потерь на трение; г

Выхлопное устройство работает следующим образом. Выхлопные газы, поступающие из цилиндров двигателя по газоподводящим каналам, попадают в выхлопную трубу 1. где разделяются на два потока.' Основная часть выхлопных газов проходит через завихритель 2 на выход в атмосферу, а часть газов поступает через трубопровод 3 на вход завихрителя 2. где, проходя через сопло 4. сжимается и, попадая в камеру 5 завихрителя, получает закрутку. Закрученный периферийный поток создает о<лзсть пониженного давления по оси основной струи, т.е. давление на входе в завихритель 2 падает. Создаваемое, закрученным потоком разряжение по' оси струи способствует интенсивному отсасыванию выхлопных газов из цилиндров двигатыя. 7

Данное устройство может быть применено в различных типах ДВС, входящих в состав всевозможных энергетических установок. Это могут быть двигатели различных транспортных средств, двигательные установки летательных аппаратов, передвижные и стационарные силовые агрегаты, вспомогательные двигательные установки и. др.

б)

Рис. 1.$ыхлопное устройство для двигателя внутреннего

сгорания: а) с прямоугольным соплом;

б) с круглым соплом • 8

Выхлопное устройство для ТВД (рис.2) содержит выхлопное сопло 1 и наружный кожух 2. закрытый с торцов. На образующей поверхности выхлопного сопла 1 со стороны входного торца сопла выполнены отверстия 3, а со стороны выходного торца сопла - дополнительные сопла 4, равномерно расположенные по окружности в поперечном сечении выхлопного сопла 1. Оси отверстий 3 выполнены под 'Углом к оси выхлопного сопла, в направлении движения газового потока, а оси сопел 4 выполнены тангенциально к оси выхлопного сопла 1.

Рис. 2. Выхлопное устройство для турбовального двигателя

Ч

Выхлопное устройство работает'следующим образом. Выхлопные газы, проходя через турбину, попадают в выхлопное сопло 1, где разделяются на две части. Основная часть выхлопных газов проходит через выхлопное сопло 1 по выхлопному тракту на выход в атмосферу, а часть газов поступает во внутренюю полость кожуха 2 через боковые отверстия 3. Газ из внутренней полости, проходя через тангенциальные сопла 4, получает закрутку и попадает в выхлопной тракт. Создаваемое закрученным потоком разряжение способствует интенсивному отсасыванию выхлопных газов из выхлопного устройства, что эквивалентно снижению гидравлического сопротивления выхлопного тракта двигателя. ;

Данное устройство може? быть применено в различных конструкциях ТВД. входящих в состав всевозможных вертолетов, самолетов и других ЛА различного назначения.

Представленные вихревые устройства: выхлопное устройство ДВС и выхлопное устройство ТВД. разработанные с учетом положительного и отрицательного опыта предшествующих исследований в данной об-асти.- позволяют существенно повысить эффективность ДВС и авиационного турбо-вального ГТД. т.е. увеличить мощность и снизить удельный расход топлива этих двигателей. Кроме того, в данной главе даны рекомендации по проектированию подобных устройств с улучшенными технико-экономическими характеристиками. ч •

В третьей главе представлены результаты теоретического исследования вихревого движения газовог- потока с целью увеличения расхода через ВУ: 1) построена Физическая схема процесса течения газа с закруткой части потока в цилиндрическом канале и записана основная система уравнений, характеризующая данный процесс: 2) рассмотрен процесс формирования течения газа в. соплоьом сечении;. 3) показано влияние сил вязкости на параметры потока газа; 4) рассмотрен вопрос истечения газа из вводного тангенциального сопла; 5) обоснован расчет теплообмена в ВУ; 6) создана математическая модель расчета параметров газа на выходе из ВУ и его геометрических размеров; ?) решена математическая модель и составлена методика расчета оптимальных геометрических размеров и параметров газа на выходе из ВУ. а также разработана программа соответствующего инженерного расчета на ЭВМ.

Приведенные в работе данные о принципе действия и устройстве ВУ для снижения гидравлического сопротивления (увеличения расхода) выхлопного тракта ДВС и ТВД свидетельствуют о том. что. несмотря на различие конструкций и вариантов технического исполнения отдельных узлов, в принципиальном плане аппарат данного класса можно схематически представить в виде цилиндра, ограниченного двумя торцевыми ловерхнос-

Ю

тями. К внутренней поверхности цилиндра гкдводятся два потока жидкости или газа: основной, подводимый через осесимметричное отверстие в одном из его торцов,и дополнительный, отбираемый непосредственно перед устройством и подводимый тангенциально, а ог.зодится поток через осесим-метричное отверстие в другом торце (рис.3).

Аэродинамика ВУ и. в частности, поле скоростей закрученного потока отличаются большой сложностью. В любой точке вектор скорости можно разделить на три составляющие: тангенциальную (вращательную) V<p. осевую (аксиальную) V2 и радиальную Vr (рис.3). В общем случае соотношение между этими составляющими может быть различным по величине в зависимости от местоположения рассматриваемой точки поля скоростей и геометрии вихревого устройства. По характеру изменения составляющих вектора скорости потока весь рабочий обьем вихревого аппарата моыо условно разделить на две основные области: периферийную, характеризуемую "квазипотенциальным" вращением, т.е. V<p • г в const, и осевую, характеризуемую "квззитвердым" вращением, т. е. с одинаковой угловой скоростью и •■» Уф / г = const. Границей этих областей является цилиндрическая поверхность радиусом гв. Тангенциальная составляющая скорости в этих областях имеет наибольшую из всех трех компонент величину, поэтому осно1лым егщом движения ¿десь седует считать вращательное. При двух- и многосоплосом вводе потока течение в ->тих областях практически исесимметрично. Аэродинамическая ось потока совпадает с осью камеры. В первом приближении ДЕИжениета^а м^жно считать плоским и отнести к категории равномерных "сесимметричных относительно оси вращения или круговых.

Рпс.З. Принципиальная схема вихревого устройства 11

Статическое Р и полное Р0 давления будут максимальны на внешней границе периферийного потока и уменьшаются по направлению от стенки к оси устройства. В приосевой области при определенных условиях статическое и полное давления потока могут быть ниже атмосферного.

Через границу вихря (г = гв) газ не течет, следовательно, за счет вязкости периферийные слои приведут во вращение осевые слои. На границе раздела осевые слои будут иметь такую же окружную скорость, -как и периферийные. Так как осевые слои контактируют с атмосферой, их полное давление будет равно атмосферному (Ра). а статическое давление можно определить по уравнению Бернулли ''

Р»с - V- (k-l)/(2k) V,2 . (1)

где Р0 с - статическое давление на оси выхлопного устройства.

Из уравнения (1) видно, что статическое давление на оси ВУ будет ниже атмосферного (Рос < Ра). а Jta,) - Рос/ Р0, < я(Ха) - Pa'Poi • т.е. вырастет степень понижения давления, возрастут безразмерная скорость потока X, и расходная газодинамическая функция q(X,). В итоге расход газа через ус.ройство

G, = a-F, Pot q(X,

тоже увеличится.

Газ в ВУ (рис.4) движется с вращением от входного сопла к противоположному концу камеры (периферийный потех) и от входного отверстия устройства к выходу (осевой поток). Периферийный поток газа вращается по закону свободного вихря, а осевой - по закону вынужденного. На пути движения к пьриферийному потоку Подводится энергия со стороны осевых слоев, отводится тепло к осевым слоям за счет разности термодинамических температур и падает полное давление из-за трения газа о стенки.

Периферийный поток газа выходит в атмосферу с параметрами Ро3. Т„3. С3. осевой поток - с параметрами Ро5, То5. (¿5.

С учетом этого уравнения энергии в тепловой форме записываются в виде Q)-з - L,_з = io3 - iOI ; (2)

0,-5 - L,-S -'i.S - w. (3)

а в механической форме уравнения энергии имеют вид

-Ц-з - Ltpio - k/íK-n-Р01/р01 • t(Po3/P0, )<"-»-il; (4) "1-1-5 " k/(k-l) P0l/p0l-[(P05/Pûl)(,<-,"',c -1). (5)

К уравнениям (2)-(5) добавляются уравнения состояния

р, = P^IR-Tt) (6)

и уравнения неразрывности

Gi-ft-Pi-V, . (7)

где 1 = 1.2.....5.

В адиабатичном ВУ обмен энергией происходит только между осевыми и периферийными слсями газа, поэтому соотношения, определяющие этот энергообмен, имеют вид

а-цМ.,-3 - - JM.,.5 : (8)

(1-М) Qi-з * - M-Qi-s : (9)

iei е M-io5 + (1-М)-ios : (10)

M = с5/(\ .

Таким образом, получена система (2)-(10' из восемнадцати уравнений с тридцатью четырьмя неизвестными (Qi-3. L¡.3, Ц.р,.3, io3. Ро3, Qj_s. L,_5, io5. Ро5. Tj. Pj. F,. V,. G,, pi. m)- Для замыкания этой системы уравнений выводятся дополнительные соотношения.

На основании данной математической модели составлена методика расчета оптимальных геометрических размеров и параметров газа на выходе ВУ и разработана соответствующая программа инженерного расчета на ЭВМ.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментального иссле-довакня вихревого движения газового потока с целью увеличения расхода через ВУ. Для этого 1) спланированы методики проведения эксперимента и обработки эксп .¡ ментальных данных: 2) разработаны методика и программа инженерного расчета на ЭВМ для определения расхода рабочего тела через гасходомер с .¡ормальной диафрагмой; 3) разработана и изготовлена экспериментальная установка; 4) определены предельные погрешности измерения параметров потока и расчета расхода рабочего тела через расходомер; ¿j) поставлен Факторный лабораторный эксперимент и проведены из-' мерения внешних параметров потока: расхода воздуха чпрез устройство и давлений в потоке.

Для проведения исследований была создана экспериментальная уста-

13

новка (рис.5), состоящая из переносной компрессорной станции НВ-ЮЭ (расход воздуха - 10 м3/мин. рабочее давление - 0,8 МПа). подводящих и отводящих трубопроводов, выхлопного канала с устройством для спирального ввода части потока воздуха с целью его закрутки (завихритель), дроссельных оасходомеров с нормальными диафрагмами, датчиков давления и измерительной аппаратуры. Основные геометрические размеры выхлопного канала с завихрителем: •

- внутренний диаметр основного канала Э, м

- внутренний диаметр трубопровода завихрителя й, м

- внутренний диаметр выхлопного канала м

- относительная длина выхлопного патрубка

Цнх'^ых'Фв

- ширина входного сопла завихрителя Ь. м

- высота входного сопла завихрителя Ь,- м ■

- радиус завихрителя Й. м

- радиус завихрителя й,. м

- эксцентриситет Г, м Для проведения эксперимента был выбран факторный план, по которому одновременно варьируются по определенным правилам все Факторы {способы воздействия на объект исследования). Такими Факторами были выбраны:

3.5*10"г; 1. 75-10 е; з,5-Ю"г: 0,5; 1,14; 1,43; 1.71:2,0; 7 ю-3: 3.5-Ю-3; 1,925-ю*2: 1,75-10*г; 1.75-10"3.

^Чжь-сж]—^ а.А

Рис. 5. схема экспериментальной установки; 1 основной канал: 2 - устройство для спирального врода части потока (завихритель); 3 - выходной капал: 4 - трубопровод завихрителя: 5 - пластина (заслонка): 6. Э - дроссельный расходсмер; 7 ■ подводящий трубопровод: з - датчики давлений: 10 - компрессор; 11 - предохранительный клапан; {2 - фильтр; 13 * влагоотлелптель; 14 -вентиль •' .14 -."■

- расход сжатого воздуха на входе в устройство С либо полное давление воздуха на входе.в устройство Р0,;

- закрутка периферийной части потока воздуха;

- конструктивные особенности закручивающего устройства (завихри-теля).

В качестве основных параметров исследования досматривались:

- расход сжатого воздуха через устройство G;

- полное давление воздуха перед устройством Р0,.

Параметры были исследованы в стационарных условиях. В качестве рабочего тела (выхлопных газов) использован воздух.

Креме того, для составления достаточно полного представления о протекающем процессе были измерены и сопутствующие параметры: давления в магистрали 1 :рис.5) основного потока и в магистрали 4 завихрител:. Фиксировалось также атмосферное давление Ра. Выбор интервала значений используемых факторов из их области определения и интервалов варьирования факторов производился на основе априорной информации о характере экспериментальных.Функций, а также исходя из конкретных условий проведения эксперимента (экстремальных показаний измерительной аппаратуры, технических возможностей экспериментальной установки).

Измер. ние расхода воздуха, проходящего через ВУ. производилось дроссельным)! расходомерами 6. 9 (рис.5), перепад давления на которых Фиксировался дифференциальными манометрами. Измерения давлений в потоках осуществлялись образцовыми манометрами типа НО класса точности 0,35,

Полученные результаты экспериментальных исследований (рис. 6-7) подтверждают теоретические исследования и позволяют сделать вывод о том. что закрутка периферийной части потока приводит:

- к увеличению расхода газа G через выхлопной тракт при постоянном полном давлении на входе в установку (Р01 - const) на 15 - 19.-5 % (рис."); ,

- к понижению лолного давления на входе в установку Р0, при постоянней расходе п.ча через выхлопной тракт (G = const) на 4.05 - 4.4 % (рис.,).

Наибольшая зФФ'ктивность закрутки (снижение" Р„, или повышение 'Gj проявляется в и: тер вале значений относительной длины L,HX-'0,5-i-," что говорит о тем, что с дальнейшим увеличением последней возрастают потери полного давления на.трение, и гидравлическое еопротирчение выхлопного тракта растет, а расход соответственно понижается.

В приложении приведены тексты программ и примеры инженерного расчета на ЭЕМ: 1) оптимальных геометрических разменов я параметров газа

15

& кг/ч

570

470

"X

0.5

№..

15

U

~ых

Рис. 6. Зг*]Исимоеть расхода газа С через устройство от относительной длины выхлопного канала ц,ц, при Р0, « const: .

» и ........... без закрутки

—о—о— с закруткой

Ра,кЛй

W

т

Рис. 7. Зависимость Полного давления газа перед устройсоом Р0, от относительной длины выхлопного канала ц,и, при С - const: I без закрутки —о—о— с закруткой

й выходе из ВУ; 2) расхода газа через расходомер с нормальной диао ¡агмой, а также сведения о внедрении результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведениях исследований:

1) показана целесообразность и перспективность создания, исследо-;ания и дальнейшего совершенствования вихревых аппаратов, которые мо-■ут применяться в различных отраслях народного хозяйства;

2) приведены общие рекомендации по созданий вихревых устройств. :ззволяющие повысить производительность и эффективность последних;

3) разработаны вихревые устройства:

- выхлопное устройство для двигателя внутреннего сгорания;

- выхлопное устройство для авиационного турбовального двигателя, озволяющие повысить сффектавность соответствующих двигателей, т.е. йеличить мощность и снизить удельный расход топлива;

4) разработана математическая модель процесса, происходящего в ихревом устройстве для снижения потерь в выхлопном канале:

5) решена математическая модель и составлена методика расчета оп-имальных геометрических размеров и параметров газа на выходе вихрево-о устройства для увеличения расхода, разработана программа соответс-вувщего расчета на ЭВМ; .

6) спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, планированы методики проведения лабораторного эксперимента и обработ-л экспериментальных данных;

7) разработаны методика и программа инженерного расчета на ЗРЧ лределения: расхода рабочего тела через расходомер, с нормальной диаф-згмой: ■'

8) проведен Факторный лабораторной эксперимент, результаты кото-эго подтверждают теоретические исследования вихревого движения и поз-зляют сделать вывод о том, что закрутка периферийной части потока, га* приводит:

- к увеличению расхода через выхлопной тракт при постоянном пол-т давлении на входе;

- понижению полного давления на входе в выхлопной тракт при пос-зянном расходе газа. ''

Прозеденные исследования предполагают продолжение работ по ука-шному направлению, ориентиром и заключительным этапом которого явля-гся создание вихревых устройств с улучшенными технико-экоио1 ическими жазателями.

Основные положения диссертации опубликованы р работах:

1. Кузнецов В. И., Макаров В.В.. Яковлев А.Б. Исследование термогазодинамических процессов Течения газа с закруткой части потока в выхлопном канале энергетических установок // Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. меадунар. науч.-техн. конф. -Омск. 1995.

- Кн. 1. - С. 124.

2. Кузнецов В.И.'. Макаров В.В., Яковлев А.Б. Термигазодинамичес-кие процессы в противоточной вихревой тр^Зе с дополнительным потоком // Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. междунар. науч. -техн. конф. - ОМСК. 1995. - Кн. 2. - С. 99-100.

3. Кузнецов, В.И., Макаров В.В., Яковлев А.Б. Влияние закрутки части потока на тепломассообмен и расход газа в выхлопном канале энергетических установок // Тр. Ш Минского междунар. форума по тепломассообмену. - Минск. 1996. - Т.Х. ч.1. - С. 67-71.

4. Кузнецов В.И.. Макаров В.В.. Яковлев А.Б. Тепломассообмен е противоточной вихревой трубе с дополнительным потоком // Тр. Ш Минского междунар. форума по тепломассообмену. - Минск. 1996. - Т. X, ч. 1.

- С. 72-74.

5. Кузнецов В. И. . Макаров В.В.. Яковлев А.Б. ¿¡атематическая мо-дрпь расчета параметров на выходе из вихревой трубы с дополнительным потоком // Математические модели и численные метода механики сплоит :х сред: Тез. докл. междунар. конф. - Новосибирск. 1996. - С. 64-65.

6. Кузнецов В.И., Макаров В.В., Яковлев А.Б. Математическая модель течения -"аза с закруткой части потока в выхлопном канале энергетических установок // Математические «одели и численные методы механики сплошных сред: Тез. докл. междунар. конф. -Новосибирск, 1996.

- С. 362-363.

7. Кузнецов В.И.„ Макаров В.В., Яковлев A.B. Исследования проти-воточ"ой вихревой трубы с дополнительным потоком // Современные проблемы машиноведения: Матер, междунар. науч.-техн. конф. - Гомель. 199S.

- С. 170-171. .

8. Положительное решение от 22.10.96 по заявке на полезную модель № 96115825/20(021978) от 31.07.96 "Выхлопное устройство турбовального двигателя". МКИ* F 02 К 3/12 / В.И.Кузнецов. А.Б,Яковлев. В.В.Макаров. ВТ. Костогрыз.