автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Разработка и исследование сильфонного микрокомпрессора для бортовых систем охлаждения летательных аппаратов

Введение.

Глава 1. Современное состояние и проблемы применения криоохла-дителей на базе термомеханических преобразователей : газовых криогенных машин СтирлинААа и компрессорных замкнутых дроссельных систем.

1.1. Газовые криогенные машины Стирлинга в бортовых системах космических аппаратов.

1.2. Замкнутые дроссельные микроохладители для бортовых систем космических аппаратов.

Задачи исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Расчетно-теоретический анализ энергетических затрат в гидравлической камере сильфонного микрокомпрессора.

2.1. Движение жидкости в межмембранных щелях сильфона, параметры и характеристики течения.

2.2. Методы определения гидравлических сопротивлений в силь-фонной камере микрокомпрессора.

2.2.1. Определение потерь в секции сильфона с использованием уравнения Бернулли.

2.2.2. Метод тройников в расчете гидропотерь на сильфоне.

2.2.3. Определение гидравлического сопротивления кольцевого канала как аналога трубы с пористыми стенками.

2.2.4. Потери давления при движении несжимаемой жидкости в щелевом канале со складывающимися стенками.

Выводы по главе 1.

Глава 3. Экспериментальные исследования гидравлических потерь насильфоне.

3.1. Экспериментальный стенд для исследования гидравлических потерь на сильфоне.

3.2. Проведение эксперимента и его результаты.

3.3. Экспериментальное определение гидравлических потерь и энергозатрат в гидравлической камере (методика).

3.4. Анализ расчетных и экспериментальных данных.

3.5. Оценка погрешности определяемых величин.

Выводы по главе 3.

Глава 4 . Исследование сильфонного микрокомпрессора.

4.1. Экспериментальные исследования рабочего процесса в ступенях сильфонного микрокомпрессора.

4.2. Экспериментальный образец одноступенчатого сильфон-ного микрокомпрессора с гидроприводом. Конструкторские разработки.

4.3. Температурный режим сильфонного микрокомпрессора

4.4. Применение мембранных сильфонов в качестве рабочих полостей перекачивающих и компримирующих устройств . 145 Выводы по главе 4.

Развитие аэрокосмической техники, реализация программ освоения космоса, совершенствование систем навигации и связи в значительной мере определяются уровнем развития космических бортовых систем охлаждения.

Бортовые системы охлаждения обеспечивают работу радиоэлектронной аппаратуры, чувствительных элементов фотоприемных устройств ин-фра-красного диапазона в системах пеленгации, наведения, наблюдения и других устройствах. Применительно к аэрокосмической технике это, как правило, микрокриогенные системы, которые выполняют задачи как военного так и гражданского назначения. В последнем случае микрокриогенные системы в комплекте с фотоприемными устройствами различных частотных уровней могут использоваться в геодезии, геологии, в нефтегазодобывающей отрасли, для наблюдения и диагностикЬ трубопроводного транспорта, линий электропередач, в строительстве, природопользовании и экологическом мониторинге, в службах МВД и МЧС, а также медицине и научных исследованиях.

Существующие в настоящее время и выпускаемые предприятиями (в основном военно-промышленного комплекса) микрокриогенные системы, как правило, узко специализированы, в связи с чем их конверсионная модификация не всегда целесообразна, а иногда и невозможна.

Вместе с этим современный уровень отдельных отечественных разработок микрокриогенных систем позволяет реализовать их как технологии двойного применения, что будет способствовать техническому перевооружению оборонно-промышленного комплекса в этой области и позволит приступить к выпуску коммерческой продукции, конкурентноспособной с зарубежными образцами.

Основными, реально существующими в настоящее время, криоохла-дителями для бортовых аэрокосмических систем являются криогенные газовые машины (ГКМ) и замкнутые дроссельные микрокриогенные системы (ЗДМКС) с уровнем температуры термостатирования 80. 120 К и хо-лопроизводительностью 0,1. 10 Вт. Достижение температуры 20 К и ниже обеспечивается двухступенчатыми ГКМ Стирлинга или двухкаскадными дроссельными системами (либо их сочетанием).

Серийно выпускаемые криоохладители на уровень 20 К в настоящее время существуют только в опытных образцах. Вместе с этим вопрос об их производстве стоит весьма остро.

Для космических аппаратов это связано с необходимостью получения высококачественной информации с поверхности Земли, изучения ближнего и дальнего космоса. Для наземных систем это связано потребностью военной техники, спецслужб, а также научных организаций.

Замкнутые дроссельные микрокриогенные системы (ЗДМКС) имеют определенные преимущества по отношению к ГКМ Стирлинга. Они позволяют располагать сам охладитель непосредственно у объекта охлаждения, на значительном расстоянии от энергоблока, т.е. компрессора, что дает возможность отстроиться от вибраций и помех электропривода. Важным преимуществом ЗДМКС является также то, что циркуляция хладоагента в теплообменнике фотоприемного устройства (ФПУ) обеспечивает равномерное распределение тепловой нагрузки на объекте охлаждения, что крайне необходимо для чувствительных элементов ФПУ последнего поколения.

Самым ответственным агрегатом дроссельных систем является компрессор. Анализ характеристик существующих микрокомпрессоров бортового применения показывает, что дальнейшее улучшение их характеристик связано с большими (часто не решаемыми) проблемами. Это обусловлено тем, что резервы по совершеногвованию рабочих процессов и конструкций» поршневых и мембранных машин к настоящему времени уже практически исчерпаны. К тому же работа второго каскада дроссельной системы ( на температурном уровне 20 К ) требует особой чистоты рабочего тела, чего не обеспечивают поршневые компрессоры со смазкой и компрессоры сухого трения, а мембранные имеют низкую эффективность и малый ресурс.

В максимальной степени существующие проблемы могут быть решены в конструкциях компрессоров, в которых рабочие полости выполнены в виде складывающихся мембранных сильфонов / 9,16 /.

Обладая полной герметичностью, большой поверхностью теплообмена, не нуждающиеся в смазке сильфонные рабочие полости обеспечивают высокое совершенство рабочих процессов и тем самым улучшают термодинамическую эффективность системы. / 15,16 /. Кроме того, применение гидропривода дает возможность разгрузить сильфон от перепада давления внутри и снаружи его и получить низкочастотный компрессор с большим ресурсом. Действительно, при заданной производительности по сравнению с мембранным сильфонный компрессор может иметь частоту процесса меньшую, чем у мембранного в число раз, равное числу секций сильфона. То есть, если сильфон имеет 30 . 50 секций, то частота сокращений сильфона может составить значение до 1 Гц. Это приводит к пропорциональному повышению ресурса, значительному снижению энергопотребления в гидроприводе, существенному снижению уровня шума и вибраций. Таким образом, дроссельная система охлаждения на базе сильфон-ного компрессора будет в 1,5 - 2 раза экономичнее, надежнее и иметь ресурс порядка 50 тыс. часовЛ при этом по шуму и вибрациям она будет соответствовать требованиям, соответствующим комфортному уровню среды обитания (пилотируемые космические аппараты) и гражданского применения (медицина).

Новизна и ожидаемая перспективность сильфонных компрессоров требует разработки их экспериментальных образцов и проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований.

На основании выше изложенного целью настоящей диссертационной работы является - повышение эффективности бортовых систем охлаждения за счет применения сильфонного микрокомпрессора с гидроприводом.

Необходимым для осуществления поставленной цели будет получение данных о процессах во внутренней газовой и наружной гидравлической полостях сильфона и камеры гидропривода, что потребует создания экспериментальных установок, методического обеспечения экспериментов, осуществления математического и физического моделирования, изготовления макетов и опытных образцов и их испытаний.

Отсутствие данных, позволяющих с достаточной достоверностью определить характеристики сильфонного компрессора, делают задачу исследований актуальной и практически значимой.

На основании обозначенной выше и вносимой автором диссертации в разработку проблемы на защиту выносятся следующие положения:

- теоретические и экспериментальные исследования гидравлических сопротивлений при работе сильфона в камере с несжимаемой жидкостью;

- экспериментальные методики определения гидравлических потерь в гидравлической камере с сильфоном;

- методики расчета энергозатрат в камере гидропривода сильфона;

- результаты исследований рабочего процесса сильфонного компрессора и его характеристики;

- конструкции, макеты, экспериментальный образец микрокомпрессора.

Результаты диссертационной работы в научном плане заключаются в следующем. Впервые изучена гидродинамика межмембранного щелевого канала складывающегося сильфона при нестационарном, знакопеременном, радиальном течении вязкой несжимаемой жидкости, исследовано течение в кольцевом зазоре между складывающимся сильфоном и стенкой гидравлической камеры и разработаны методики расчета гидравлических сопротивлений и энергетических затрат в камере гидропривода сильфонного микрокомпрессора.

Впервые получены, подтвержденные испытаниями, реальные характеристики сильфонного микрокомпрессора с гидроприводом и определены режимные и конструктивные параметры сильфонных микрокомпрессоров для замкнутых дроссельных микрокриогенных систем.

Практическая ценность заключается в получении опыта конструирования, изготовления и испытаний макетов и экспериментального образца силь-фонного микрокомпрессора с гидроприводом, а также в том, что доказана практическая возможность и целесообразность разработки типо-ряда герметичных, экологически чистых микрокомпрессоров объемного действия нового класса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований решены важные прикладные задачи в области бортовых систем охлаждения аэрокосмического назначения.

1. Доказана перспективность применения сильфонных микрокомпрессоров в составе бортовых криогенных систем охлаждения аэрокосмического назначения. Показано, что применение сильфонного микрокомпрессора позволяет на 30-50% снизить энергопотребление дроссельной системы охлаждения .

2. На основе созданных математических моделей, экспериментальных исследований и обобщения их результатов разработаны методики, позволяющие рассчитывать гидравлические сопротивления и энергетические затраты в камере гидропривода, а также параметры и характеристики рабочего процесса сильфонного микрокомпрессора.

3. Получены экспериментальные характеристики сильфонного микрокомпрессора с гидроприводом. Определено влияние конструктивных и режимных параметров сильфона на характеристики компрессора.

4. Созданы экспериментальные установки и стенды, обеспечивающие оценку характеристик и изучение особенностей функционирования сильфонного микрокомпрессора в условиях наземных испытаний. Разработаны и апробированы экспериментальные методики, обеспечивающие сокращение времени на разработку компрессора и системы охлаждения в целом, а также на проведение доводочных работ при комплексных испытаниях в составе летательного аппарата.

5. Изготовлен и испытан макетный образец сильфонного микрокомпрессора производительностью до 0,2 л/с со степенью повышения давления до 5, запатентована его конструкция. Методики, схемные решения, результаты расчетов и экспериментальных исследований, а также конструкторские разработки сильфонного микрокомпрессора использованы в Центральном специализированном конструкторском бюро «ЦСКБ - Прогресс» при разработке перспективных систем охлаждения космического назначения.

6. Экспериментальная установка по исследованию характеристик сильфонного микрокомпрессора внедрена в учебный процесс СГАУ.

1. Автономные криорефрижераторы маной мощности / Боярский,М.Ю.,Грачев А.Б., Калинин Н.В. и др./ Под ред. В.М.Бро-дянского. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 206 с.

2. Архаров A.M., Архаров И.А., Лебедев К.В. Процесс охлаждения магнитокалорического криогенератора возвратно-поступательного типа // Химическое и нефтяное машиностроение. 1993. - № 9 . - С. 18-19.

3. Баррон Р.Ф. Криогенные системы. Пер . с англ . - М.: Энергоатомиздат, 1989 . - 408 с.

4. Бродянский В.М., Громов Э.А., Грезин А.К и др. Эффективные дроссельные криогенные рефрижераторы, работающие на смесях // Химическое и нефтяное машиностроение. -1971. -№12.- С. 16-18.

5. Бродянский В.М. Перспективы использования магнитокалорического эффекта для получения низких температур // Тр. Моск. энерг. ин-та./ Низкотемпературные процессы и криогенные системы. М.: - 1979. - вып. 427.-С. 34-53.

6. Боярский М.Ю.и др. Характеристики криогенных систем при работе на смесях / Боярский М.Ю.,Лунин А.И.,Могарычный В.И. М.: Издат. МЭИ, 1990.-78с.

7. Винокуров А.Е., Деньгин В.Г., Ермаков В.М. Опыт создания и тенденции развития компрессоров без смазки для микрокриогенных систем // Вестник междунар . акад. холода 2000. -№1. - С. 15-17.

8. Горбачев СП. Криогенные установки с многокомпонентными хладоагентами. Сегодняшний день и перспективы // Холод и бизнес. -1999.-Хо6-С.20-21.

9. ГОСТ 21754-76. Сильфоны сварные металлические. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1976. - 31 с.

10. Грезин А.К., Зиновьев B.C. Микрокриогенная техника. М.: Машиностроение, 1977. - 232 с.

11. Грезин A.K. Тенденции и задачи развития микрокриогенной техники // Сб . научн . тр . НПО "Сибкриотехника " Исследование и разработка микрокриогенных систем и их элементов. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. - 1990. - С. 3-5.

12. Довгялло А.И., Лукачев СВ. Сильфонные тепловые, холодильные и компримирующие машины. -= Самара: Самарский госуд. аэрокосм, ун-т, 1998.-98 с.

13. Довгялло А.И. Сильфонные термомеханические преобразователи. -Самара: Самарский научный центр РАН, 2000. 177 с

14. Довгялло А.И.и др. Оценка гидропотерь в сильфонном микрокомпрессоре с гидроприводом / . Довгялло А.И. Иванов A.B., Меркулов A.n. Куйбыш. авиац. ин-т.- Куйбышев, 1984. 5 с- Деп . в ЦИНТИХИМнефтемаш деп. №1151, № 7.

15. Довгялло А.И.и др. Сравнение теплопередающих поверхностей микрокомпрессоров / Довгялло А.И. Кузькин В.И., Великанов А.Г. Куйбыш. авиац. ин-т. Куйбышев, 1990. - 8 с. Деп. в ЦИНТИХИМнефтемаш 12.04.90, № 3069

16. Довгялло А.И., Кузькин В.И. Современное состояние развития сильфонных компрессоров и насосов /Самарский аэрокосм. ун-т. Самара, 1993. -15 с. Деп. в ВИНИТИ, 1993. № 2123-893

17. Довгялло А.И., Докторов О.Ю. Экспериментальная методика определения гидропотерь при работе складывающегося мембранного сильфона в гидравлической камере // Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Самара: СГАУ, 1998.- вьш.2.- 4.2. - С.220-223.

18. Довгялло А.И.,Докторов О.Ю. Определение гидравлических потерь в камере гидропривода сильфонного микрокомпрессора // Вести. СГАУ. Сер. процессы горения, теплоообмена и экология тепловых двигателей.Самара: Самарск. гос. ун-т, 1999. вып. 2.- С. 47-55.

19. Довгялло А.И.,Докторов О.Ю. Гидродинамика круговой конической со складывающимися стенками.// Вести. СГЛУ. Сер. процессы горения, теплообмена и экология тепловых двигателей. Самара:Самарск. гос. ун-т, Самара, 1999. вып.2.- С. 39- 47.

20. Довгялло А.И. и др. Исследование процесса сжатия в сильфонном компрессоре./ Довгялло А.И., Великанов А.Г., Сукчев В.М. Смарск. аэрокосм, ун-т. Самара, 1998. 10 с. Деп . в ВИНИТИ, 19.06.98. 1877-В98.

21. Довгялло А.И., Докторов О.Ю. Сильфонный микрокомпрессор с гидроприводом для экологически чистых технологий.// Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды. Сб. труд.- Рыбинск.: Изд-воУНПЦ"Энргомаш",-М.: 1999.-c.59

22. Довгялло А.И., Докторов О.Ю. Сильфонный микрокомпрессор // Процессы горения теплообмена и экология тепловых двигателей. Тр. Всероссийской н-т. конф. июнь 2000 г.-Самара, 2000.-С.51 -58.

23. Докторов О.Ю. Температурный режим сильфонного микрокомпрессора с гидроприводом // Вести . СГАУ . Сер . Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Самара, 2000.-вып 4.-Ч.2.-С. 215-220

24. Иванов A.B., Наталевич A.C. Неустановившееся движение в гидроприводе сильфонного микрокомпрессора // Газодинамика двигателей. Казань: КАИ, 1987. -С.40 - 46.

25. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О.Штейнберга. -М.: Машиностроение, 1992.- 672 с

26. Красночуб Е.К., Довгялло А.И., Докторов О.Ю. Сильфонный микрокомирессор как пример технологии двойного применения 7/ Сб. н-тстатей по ракетно-космической тематике / ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» . Самара: -2001. С. 175 - 178.

27. Ладохин С.Д., Субботин Ю.И., Потапов Г.Г. Опытные характеристики макетов криоустановок с циклами на углеводородных смесях.// Сб. научн. тр. НПО "Криогенмаш". Проблемы криогенной техники. Балашиха, Моск. Обл.-1991.-С.27-34.

28. Ланда Ю.И. Актуальные направления совершенствования замкнутых микроохладителей Джоуля-Томсона // Химическое и нефтяное машиностроение. 1997.- №2. -С.37 - 39.

29. Новиков П.А., Любин Л.Я. Гидромеханика щелевых систем. Минск: Наука и техника, 1988. - 344 с.

30. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр . отд-ие, 1991. - 304 с.

31. Патент № 2167339, Россия, МПК 7 F 04 В 45/033. Сильфонный компрессор с гидроприводом / Довгялло А.И., Великанов А.Г., Докторов О.Ю.(Россия).- 99116892/06(017597); Заявл. 30.07.99; Опубл. 20.05.2001. Бюл.№ 1. Приоритет 30.07.1999.

32. Перспективы использования дроссельных циклов на смесях в криогенных системах./ Бродянский В.М., Ягодин В.М., Никольский В.Н. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1976, С. 21 - 23.

33. Суслов АД . и др. Криогенные газовые машины / Суслов А.Д., 1*ороховсю1И Г.А., Полтараус В.Б., -М.: Машиностроение, 1982.-213с

34. Френкель М.И. Поршневые компрессоры. М.: Машиностроение, 1969.-744 с.

35. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя.- М.: Наука, 1969.-742с

36. Jevell C.I. Cryogenic activities at ESTEC // Cryogenics. -1989. -V. 29. -№ 5. -P. 535-539.

37. Berman A.S. // J. Appl. Phys. 1953. vol. 24. p. 1232 1235.

38. Naes L.J., Nast Т.С. Two years orbital performance summary of Stirling mechanical refrigerators // Proceeding of the society photo-optical instrument. -1981.-V.304.-P. 95-100.

39. Some aspects of design. Criocolers Pt 2: Appl. New York; London, 1983111 p.1. Специальная литература

40. Аппаратура тензометрическая на несущей частоте 4 АНЧ-22. Техническое описания и инструкция по эксплуатации.

41. Осциллограф светолучевой Н071.1.(Н071.2, Н071.3, Н071.4, Н071.5, Н071.6). Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

42. Датчик давления индуктивный дифференциальный, малогабаритный.ДМИ.Паспорт ДМИ ПС.

43. Вискозиметр капиллярный ВПЖ 1. Паспорт и техническое описание.