автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Проектирование тепловых двигателей однократного действия с повышенными энергетическими параметрами

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ПРОЦЕССАМ ГОРЕНИЯ

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА.

1.1. Общая картина процессов горения баллиститного твердого топлива.

1.2. Основные модели нестационарного горения

1.2.1. Модель горения с постоянной температурой поверхности горения .15

1.2.2. Модель горения с переменной температурой поверхности горения.

1.3. Выводы, получаемые из исследовательских работ по процессам горения топлива.

1.3.1. Время тепловой релаксации зон газовой фазы и прогретого слоя топлива.

1.3.2. Температура поверхности Тэ , и однозначная зависимость Тз(и).

1.3.3. Основные допущения для разработки методики по уточнению определения закона скорости горения с использованием понятия 'релаксации'.

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ, МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАКОНА СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОНЯТИЯ 'РЕЛАКСАЦИИ'

2.1. Физическая модель процесса горения.

2.2. Система уравнений задачи горения топлива.

2.2.1. Уравнение теплопроводности .•.'.

2.2.2. Уравнение реакции

2.2.3. Уравнения горения пороха в стационарных условиях

2.2.4. Определение констант Е, к0, С) по экспериментальным данным.:.:.

2.3. Методика определения закона скорости горения с использованием понятия 'релаксации'.

2.3.1. Методика определения функции теплового потока ср.

2.3.2. Методика определения функции условия горения с использованием понятия релаксации'.

2.3.3. Решение системы уравнений горения топлива в нестационарных условиях.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ

БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ МИНОМЕТОВ И РАКЕТНЫХ УСТАНОВОК.

3.1. Система уравнений задачи внутренней баллистики.

3.2. Результаты расчетов.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ЗАКОН ГОРЕНИЯ

БАЛЛИСТИТНОГО ТОПЛИВА.

4.1. Экспериментальные данные.

4.2. Построение законов скорости горения для топлива Н.

4.2.1. Закон скорости горения при стационарных режимах.

4.2.2. Определение значений функций теплового потока ф(р,Тэ), коэффициентов а(Т) и а1.

4.2.3. Некоторые результаты, полученные для топлива Н, на основе построенного закона горения.

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНЫХ

БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК.

5.1. Закон скорости горения по опытам в манометрической бомбе и его особенности.

5.2. Особенности закона скорости горения с использованием понятия релаксации.

Тепловые двигатели играют важную роль во всех отраслях народного хозяйства и обороны. В связи с особенностями функционирования тепловые двигатели могут быть разделены на два основных класса: двигатели, совершающие постоянное преобразование теплоты и работы (им при определенных допущениях может быть поставлен в соответствие термодинамический цикл) - к этому классу относятся двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные двигатели; двигатели, совершающие разовое (однократное) преобразование этих видов энергии (им ни при каких допущег ниях не может быть поставлен в соответствие термодинамический цикл).

Тепловые двигатели постоянно совершенствуются и развиваются, в том числе двигатели однократного действия (ДОД) - специфические тепловые машины, широко используемые в военной, технике и народном хозяйстве. Совершенствование рабочих характеристик систем, использующих эти двигатели приводит к повышению требований, предъявляемых к ДОД, что делает изучение этих двигателей и протекающих в них процессов актуальным. . .

---1 -;-;- Цилищго

Твердое топливо Пороховой газ / Р>Т л' и и •о. о Р < V

Рис . 1. Пшшшшиальная схема ДОД.

Принципиальная обобщенная схема ДОД приведена на рисунке 1. Характерными особенностями этих двигателей являются наличие твердого топлива, энергия которого преобразуется в механическую работу, двигающую поршень или в импульс реактивной силы при истечении порохового газа через критическое сечение.

Основными процессами, протекающими в ДОД, являются процессы горения твердого топлива при высоком давлении; расширения горящего продукта при переменном объеме; течения^ газов в цилиндре и через сече, / C^JL-O"^ ^ db-, a сдоиА

V ния1 отведения; движения поршня и теплопередачи от горящего продукта к топливу, цилиндру и другим деталям.

Наиболее широко распространенной реализацией ДОД являются системы стрелково-пущечного оружия и реактивного движения. Поэтому практическое приложение полученных теоретических результатов будет осуществлено применительно к этим техническим устройствам.

Теоретическая база, обеспечивающая совершенствование расчетов указанной системы включает в себя задачу расчета термодинамических и динамических характеристик двигателя. Это задача внутренней баллистики (ВБ), в ходе которой определяются зависимости (функции) давления p(t, I), температуры T(t, I), скорости поршня V(t, I), расхода газов через сечения ртв^рдения G(t) и скорости газового потока в канале цилиндра v(t, I) от времени t и пути / движения поршня (см. рис. 1).

WO и ЦДЛДЛДЬ5

ЗадачдВБ является основой процесса проектирования ДОД, в которой теория горения топлива играет самую важную роль. В ее основе лежат термодинамические, газодинамические и баллистические исследования выполненные М.Е. Серебряковым, Б.В. Орловым, Г.Ю. Мазингом, Г.А. Демидовым, В.Ю. Сладковым, А.П. Ушаковым и др. [2.10]. Её основная v тематика заключается в том, что были определены давление, выделенная ^ ^ -энергия при горении топлива в заданном объеме, показатель адиабаты по- /¿^

QfJtQ роховых газов и работа, совершаемая ими при расширении - так называе^6^

У ( ' •А » п ¿ЛЛО. // мая «сила пороха». Были установлены зависимости скорости горе! лива от давления и(р) и развиты экспериментальные методы, позволившие получить необходимые данные для расчетов задачи ВБ [3.10]. Существующий закон скорости горения был определен непосредственной обработкой кривой давления, полученной щ опытов при сжигании топлива в манометрической бомбе. Главный недостаток этого закона скорости горе

6 UtÜJUbHß ^ ( ния заключался в том, что значение скорости горения является средним и

P^uuMJSX "^afdö приблизительным, не отражающим процессы нестационарного горения тоь g;!

При работе ДОД на твердом топливе часто осуществляются такие режимы, при которых скорость горения не остается постоянной. Давление в камере и, следовательно, импульс реактивной силы также зависят от времени. К таким нестационарным режимам горения следует отнести процессы воспламенения и потухания заряда, так называемое аномальное горение (ряд последовательных вспышек заряда), горение при самопроизвольном возникновении колебаний давления} в камере и т.п. Кроме того, при попытках создания ракетных двигателей'с регулируемой тягой конструктор неизменно встречается с различного рода переходными режимами горения (например, от одной скорости горения к другой).

Широкая распространенность нестационарных режимов горения привели к интенсивному исследованию нестационарного горения твердых топлив во многих лабораториях мира. О важности рассматриваемой проблемы свидетельствуют научные работы,^ посвященные ей, которые часто появляются в печати, например [11.24]. Вопросы нестационарного горения конденсированных систем обсуждаются практически на всех симпозиумах и конференциях по горению.

Большой вклад в исследовании горения топлива внесли советские и иностранные ученые: Ю.А. Победоноцев, П.Ф. Похил, К.К. Андреев, А.Д. Марголин, А.Ф. Беляев, Б.В. Новожилов, Я.Б. Зельдович, Б.И. Хайкин, А.Г. Мержанов, С.С. Новиков, Ю.С. Рязанцев, А.Г. Межанов, A.A. Зенин, Д.А. Франк-Каменецкий, Саммерыильд и т.д. [11.24].

Анализ тенденции развития ДОД показывает, что требования к их техническим характеристикам постоянно повышаются. В связи с этим возрастает сложность, трудоемкость, длительность и точность самого процесса проектирования. Тем более для развивающихся стран, проблема исследования модернизации имеющихся ДОД для повышения эффективности плива. ¡С) л , их использования и эксплуатации {проблемы увеличения дальности, полезной нагрузки, эффективности работы и использования топливом местного производства) играет очень большую роль.

Решение этих задач в настоящее время ещё во многом опирается на экспериментальные исследования и результаты отработки, причем нестаV ционарные процессы горения часто рассчитываются приблизительно. По-; этому, проблема дальнейшего развития и совершенствования научной; базы исследования и проектирования ДОД с учетом нестационарных фак-1 торов горения для повышения их эффективности функционирования и\ энергетических характеристик является актуальной.

В соответствие с законом горения твердого топлива в различных интервалах давления ДОД можно разделить на две группы.

Первая группа характеризуется максимальным давлением в камере сгорания двигателя выше 60 МПа. К этой группе относятся двигатели с большим относительным ходом поршня X, такие как пушки, гаубицы, пулеметы, винтовки и т.д. (Здесь Х=ЬМ, где й диаметр поршня, Ь длина пути движения поршня в цилиндре). Благодаря высокому давлению, скорость горения сильно зависит от давления, а относительное влияние нестационарных факторов на скорость горения намного меньше влияния давления. Поэтому исследования о нестационарном горении для повышения эффективности функционирования ДОД этой группы играет небольшую роль.

Вторая группа характеризуется максимальным давлением в камере сгорания меньше 60 МПа. К этой группе ДОД можно отнестйч(двигатели^ типа минометного/ракетного и безоткатного орудия (реактивная динами- р ческая система [8]). В этом интервале давления, скорость горения топлива ""5" зависит от давления не линейно и нестационарные факторы (производная . dp/dt, скорость газового потока, толщина свода .) заметно влияют на ско-' рость горения, поэтому большинство исследовательских работ о нестацио— нарном горении топлива концентрируется в этом интервале давления [12 .22]. В данной диссертации исследуется этот интервал давления.

Данная диссертационная работа посвящена совершенствованию научной базы исследования и проектирования ДОД с целью разработки методики проектирования ДОД для повышения их эффективности функционирования и энергетических характеристик с учетом нестационарных факторов в процессе горения топлива.

Для достижения этой цели решаются следующие основные задачи:

1. Анализ литературных данных по процессам горения твердого топлива в стационарных и нестационарных условиях. Из общей картины процесса горения топлива делаются выводы и основные допущения для определения закона скорости горения с учетом тепловой инерционности конденсированной фазы;

2. Разработка физической, математической модели процесса горения топлива и методики определения закона скорости горения с учетом нестационарной скорости горения топлива;

3. Разработка математической модели определения выходных параметров ДОД с использованием предлагаемого закона скорости горения;

4. Проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения точности и адекватности математической модели;

5. Обоснование возможности обеспечения стабильных выходных параметров и повышения энергетических характеристик двигательных установок.

1. В.Н.Новиков. Под общей редакцией. Изд. второе Оружие победы. М., Машиностроение. 1987 г, 512 с.

2. Б.В.Орлов, и другие. Проектирование ракетных и ствольных систем. М., Машиностроение. 1974 г, 828 с.

3. Б.В.Орлов, Г.Ю. Мазинг. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных и двигателей на твердом топливе. М., Машиностроение 1979 г.

4. Б.В.Орлов, Г.Ю. Мазинг. Газодинамические и баллистические основы проектирования ракетных и двигателей на твердом топливе. М., Машиностроение 1968 г.

5. Б.В.Орлов, и другие. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. М., Машиностроение 1976 г.

6. В.В.Алферов. Конструкция и расчет автоматического оружия М., Машиностроение. 1977 г.

7. Ю.В.Чуев. проектирование ствольных комплексов. М., Машиностроение 1976 г.

8. М.Е.Серебряков. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ч ракет. М., Оборонгиз. 1962 г.

9. Г.А.Демидов. Теплотехнические основы теории реактивных двигателей и внутренней баллистики ствольных систем. Пенза. 1966 г.

10. В.Ю.Сладков, А.П.Ушаков. Основы внутренней баллистики. Тула. 1988г.

11. Р.Е.Соркин. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе. Изд-во Наука, Главная редакция физико-математической литературы. Москва 1967 г.

12. Б.В.Новожилов. Нестационарное горение твердых ракетных топлив. Изд-во Наука. Москва 1973 г.

13. Б.В.Новожилов. Физика горения и взрыва. 4, 482 .1968 г.

14. В.В.Александров, Э.В.Конев, В.Ф.Михеев и другие. Физика горения и взрыва. 2, 68. 1966 г.дй>

15. Я.Б.Зетндович. Физика горения и взрыва. 7, 463. 1971 г.

16. Я.Б.Зельдович, О.И.Лейпунский, В.Б.Либрович. Теория нестационарного горения пороха. Изд-во Наука. Москва 1975 г.

17. Я.Б.Зендович, Г.И.Баренблатт, и другие. Математическая теория горения и взрыва. М., Изд-во Наука, 1980 г.

18. А.А.Зенин. Физика горения и взрыва. 2, 74. 1966 г.

19. А.А.Зенин. Физика горения и взрыва. 2, 68. 1966 г.

20. А.А.Зенин. Физика горения и взрыва. 3, 67. 1966 г.

21. А.А.Зенин, О.И. Нефедова. Физика горения и взрыва. 1, 46. 1967 г.

22. А.А.Зенин, Б.В. Новожилов. Физика горения и взрыва. 9, 246. 1973 г.

23. К.К.Андеев. Термическое разложение и горения взрывчатых веществ. \ М., Наука. 1967 г.

24. А.П.Алдушкин, Т.М.Мартемьяова, А.Г.Мержанов и другие. Физика горения и взрыва. 5, 613. 1973 г.

25. Н.Н.Бахман, А.Ф.Беляев. Горение гетерогенных конденсированных систем. М., Наука. 1967 г.

26. В.П.Исаченко, и другие. Теплопередача. М., Машиностроение. 1985 г.

27. Д.Ж.Ортега, У.Пул. Введение вычисленные методы решения дифференциальных уравнений. М., Наука. 1986 г.

28. Бронштейн. Справочник по математике. М., Наука. 1976 г.

29. С.Л.Соболев. Уравнения математической физики. М., Гостехиздат, 1947 г.

30. А.Н.Тихонов, А.А.Самарский. Уравнения математической физики. М., Гостехиздат, 1953 г.

31. И.С.Березин, Н.П.Жидков, Методы вычислений. М.,Физмагиз. 1959 г.

32. М.А.Айзерман. Лекции по теории автоматического регулирования. М.,Физматгиз. 1958 г.

33. АЕ. Мудров. Численные методы для ПЭВМ на языках бейсик, фортран и паскаль. Томск. МП., Раско. 1992 г.

34. С.К. Годунов, B.C. Рябеький: Введение в теорию разностных схем. М., Физматгиз. 1962 г.

35. Л.В. Кальорович, В.И. Крылов. Приближенные методы высшего анализа. М., Гостехиздат. 1952 г.

36. Внутренняя баллистическая задача безоткатного орудия и ракетного двигателя. НИИ по оружию. Вьетнам. 1965 г.

37. Расчетные и измеренные результаты ракетного двигателя R-70mm и миномет 82мм. НИИ по оружию. Вьетнам. 1982 г.

38. Дальнобойные заряды для минометов. НИИ по оружию.Вьетнам. 1981 г.

39. Методы повышенна дальности и кучности боя мин и артиллерийских снарядов. НИИ по оружию. Вьетнам. 1980 г.

40. Май Кхань, Устинов Л, А. К методике для определения горения топлива в ракетно-артиллерийеком вооружении. С&. тр. ПВАИУ, г. Пенза, 1999 г.— с. 83-85.

41. Май Кхань, Устинов Л.А. Нестационарная скорость горения топлива при переменном давлении. ИзвестяяТулГУ. Сер. Машиностроение. Выпуск 4. 1999 г.-с. 186-190.

42. Май Кхань. Расчетные и экспериментальные результаты ракетного двигателя РТОмм и миномета 82мм. "Военная техника^. Вьетнам, Ханой, НИИ вооружения. 1992 г. с. 15-17.

43. Май Кхань, Устинов- Д.А. К методика повышения эффективности функционирования двигательных установок. Тез.докл. Всесоюзн.конф. г. Тула, ТВАИУ, 1998 г.-с. 59.