автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Сильфонные термомеханические преобразователи для бортовых систем летательных аппаратов

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева

На правах рукописи

Для служебного пользования Экз. № и

Довгялло Александр Иванович

СИЛЬФОННЫЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ БОРТОВЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07.07. Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара - 2000

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете им. С.П.Королева

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Загузов И.С.

доктор физико-математических наук, профессор Кудинов В.А.

Ведущая организация — Центральное специализированное конструкторское бюро (ЦСКБ), г. Самара

Защита состоится Л ч июня 2000 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 063.87.01 в Самарском государственном аэрокосмическом университете по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета

доктор технических наук

Орлов В.Н.

Автореферат разослан _ мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

А.Н.Коптев

Актуальность.Эффективность решения многих задач в авиационной и космической технике определяется достижениями в области бортовых систем летательных аппаратов.

Как энергопроизводящие так и энергопотребляющие бортовые истемы требуют новых идей и конструктивных решений, озволяющих улучшить их эффективность и эксплуатационные арактеристики. В настоящее время созданы и испытаны космические нергосистемы с высокоэффективными машинными

реобразователями, которые будут эксплуатироваться на больших рбитальных станциях. В основном это установки, работающие по 1мкнутым регенеративным циклам Ренкина, Брайтона, Стерлинга ощностью до 200 и более КВт.

Определенное место занимают бортовые системы с уровнем мощ-ости до 5 КВт, относящиеся к области микроэнергетики. Среди яергопроизводящих это резервные или аварийные системы, спользующие указанные выше циклы. Энергопотребляющие - это ортовые системы обеспечения теплового режима, системы хлаждения, криогенные системы, насосы и компрессоры, входящие в □став технологического и научного оборудования а также вооружения.

К аэрокосмическим бортовым системам предъявляются особые ребования, значительно отличающиеся от требований к системам ругого назначения. К таким требованиям относятся: длительный есурс работы, высокая надежность, малое энергопотребление или ысокий к.п.д., автономность, минимальные масса и габариты, низкие ровни вибраций и шума и ряд других.

В целом ряде случаев существующие системы не удовлетворяют ак отдельным условиям, так и всему комплексу предъявляемых к ним ребований.

Вместе с этим необходимый ресурс бортовых систем в рачительной степени зависит от объекта размещения. Для наземных истем достаточно нескольких тысяч часов, после чего могут

проводиться регламентно-ремонтные работы. Авиационные бортовые системы удовлетворяет ресурс 1 ,..10 тыс. часов. Бортовые системы, входящие в комплекс ракетной техники, особенно вооружения, требуют малого ресурса, вплоть до нескольких часов.

Анализ характеристик существующих термомеханических преобразователей бортового применения показывает, что этап улучшения их характеристик заканчивается. Это связано с тем, что резервы по совершенствованию рабочих процессов и конструкций поршневых машин к настоящему времени уже почти полностью исчерпаны.

В большинстве своем системы авиационно - космического назначения требуют полной герметичности и чистоты внутреннего контура Кроме того в микроэнергетике, для уровня малых мощностей, когдг масштабный фактор в сильной степени влияет на совершенство рабочего процесса, существующие для этих машин проблемы герметизации, смазки, теплообмена вступают в противоречие с экономичностью к надежностью.

Частично или полностью эти проблемы могут быть решены £ конструкциях машин, в которых рабочие цилиндры выполнены в вид* складывающихся мембранных сильфонов. Обладая полно* герметичностью, большой поверхностью теплообмена, не нуждающиеа в смазке сильфонные рабочие полости обеспечивают высоко* совершенство рабочих процессов и тем самым улучшают термодинамическую эффективность систем.

Новизна сильфонных тепловых двигателей, холодильных машин компрессоров, насосов кроме изготовления их опытных образцов тре бует разработки методов, создания специальных стендов и проведени! исследований как теоретического плана (математические модели), та! и экспериментальных.

Комплекс таких предварительных исследований и опережающи: испытаний кроме изучения рабочих процессов в сильфонных машина:

олжен обеспечить получение характеристик в диапазонах изменения режимных параметров эксплуатации. Одновременно конструкторские проработки, макетирование, • изготовление экспериментальных бразцов являются важными составляющими в этапах исследований, то позволяет значительно сократить время и материальные затраты на азработку и ускорить проведение летных испытаний бортовой системы собенно с новыми конструктивно-компоновочными и ксплуатационными свойствами.

Вполне очевидно, что разработка и создание устройств с ильфонными рабочими полостями будут являться примером ехнологии двойного применения. Так, например, сильфонные насосы компрессоры для перекачки и компримирования особо чистых, оксичных и агрессивных сред Необходимы в наземных химических, »армацевтических, пищевых производствах, а система охлаждения егко конверсируется в аппаратуру медицинского назначения.

Решающее значение в оценке технико-экономических характерис-ик сильфонных машин будут иметь сведения о процессах в рабочих юлостях, обусловленных особенностью работы сильфонов, их эффек-ивностью как теплообменников, гидравлическими потерями, влиянием онструктивных параметров и др. Отсутствие данных, позволяющих ценить характеристики таких машин, делает задачу их исследований ктуальной, что имеет практическое значение для создания перспек-ивных термомеханических преобразователей (ТМПТ).

Цель работы. В связи с вышеизложенным предлагаемая [иссертационная работа ставит перед собой выполнение следующих (елей:

1 Проведение опережающих расчетно-теоретических и экспериментальных исследований сильфонных машин для оценки характеристик и определения областей их использования в бортовых системах авиационно-космического назначения.

• Создание рабочих методик и комплекса инженерных и проектировочных рекомендаций по расчету и конструированию термомеханических преобразователей с сильфонными рабочими полостями.

Задачи исследований:

изучение функциональных и параметрических свойств и определение характеристик сильфона как рабочей полости изменяемого объема;

исследование теплообмена и гидродинамики сильфона; математическое моделирование рабочих процессов сильфонных двигателя и холодильной машины Стерлинга а также микрокомпрессора с гидроприводом;

создание и экспериментальная отработка стендового оборудование для исследования сильфонных термомеханическю преобразователей в режимных и параметрических диапазона) условий эксплуатации;

получение характеристик трех типов сильфонных ТМП: двигатеш и холодильной машины Стерлинга и сильфонногс микрокомпрессора с гидроприводом;

определение характеристик бортовых систем с использование*. СДВПТ, СГХМ, СМК.

Методы исследований базировались на теории рабочю процессов тепловых и холодильных машин, гидрогазодинамики, теорш и практике теплофизического эксперимента и включают в себя математическое моделирование и решение систем дифференциальны) уравнений с использованием численных методов расчета на ЭВМ использование теории подобия; экспериментальные стендовьи исследования макетов и опытных образцов. Научная новизна.

Разработана методика и выведены расчетные соотношения дл:

зыбора параметров и характеристик складывающихся мембранных сильфонов, применяемых в качестве рабочих полостей изменяемого объема в тепловых, холодильных и компримирующих машинах.

Выявлены специфические особенности и численно определены параметры течения теплоносителя при его перемещении в полостях секций сильфона.

Установлены закономерности теплоотдачи внутри и снаружи сильфона, а также динамика передачи тепла. Получены критериальные соотношения, позволяющие использовать их для расчета коэффициентов теплоотдачи на сильфоне при его самовентиляции и интенсифика-дии внешнего теплообмена за счет фронтального обдува.

Разработана методика и получены расчетные формулы для определения гидропотерь снаружи сильфона при его работе в гидравлической камере в условиях несжимаемой жидкой среды.

Разработаны и испытаны экспериментальные образцы ;ильфонного двигателя внешнего подвода тепла (СДВПТ) общей мощность до 500 Вт, сильфонной газовой холодильной машины СГХМ) Стерлинга с полезной холодопроизводительностью до 10 Вт 1ри температуре термостатирования 150 К и сильфонного ликрокомпрессора (СМК) с гидроприводом.

Разработаны уточненные методики расчета сильфонных машин, тозволяющие прогнозировать характеристики рабочего процесса проектируемого устройства со степенью приближения к реальному объекту 5 3...8%.

Получены характеристики энергоустановки на базе СДВПТ, авиационной системы охлаждения на базе СГХМ и дроссельной системы ох-гаждения с СМК, подтверждающие возможность применение сильфонных термомеханических преобразователей на борту штательных аппаратов, а также перспективы их конверсионного фименения.

Практическая ценность. Разработаны методические основы расчета и проектирования тепловых, холодильных и компримирующих машин с сильфонными рабочими полостями. Доказана практическая возможность создания отдельного класса сильфонных машин и разработки типо-ряда ТМПТ различного назначения с улучшенными (в отдельной разработке уникальными) характеристиками. Применение сильфонов позволяет создать экологически чистые устройства и заполнить параметрическую нишу по требованиям герметичности, чистоты рабочего тела, вибрационно-акустическим и частотным характеристикам. Результаты исследований использованы при разработке авиационных систем охлаждения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в течении ряда лет на Всесоюзных и Республиканских конференциях, семинарах, совещаниях, в том числе: Всесоюзных конференциях по ДВС ( 1973, МВТУ г.Москва; 1977, ЦНИДИ г.Ленинград; 1978,МВТУ г.Москва; 1979,ФТИ АН УзССР г.Ташкент; 1981, ТАДИ г. Ташкент), конференции по криогенике (1987, МВТУ, г.Москва), Всесоюзные конференции по микроэнергетике (1973 - 1990 г.г. КуАИ ,г.Куйбышев),научно-практической конференциии по гидроприводу (1994, СГАУ г.Самара), Научно-технической конференции по проблемам и перспективам развития двигателестроения (1998, СГАУ г.Самара), Всероссийской научно-технической конференции по теплофизике процессов горения и охраны окружающей среды (1999, РГАТА г.Рыбинск), специализированном научно-техническом семинаре по процессам горения и экологии тепловых двигателей (1998,1999, СГАУ г.Самара), объединенной международной научно-технической конференции по проблемам и перспективам развития двигателестроения в поволжском регионе ( 1999, СГАУ г.Самара).

Публикации по теме диссертации. Основные результаты работы представлены в 37 публикациях, из которых одна- монография

II, а 24 - статьи в тематических сборниках, трудах конференций, гнтральной и республиканской периодике. Предложенные энструкции защищены 12 авторскими свидетельствами на изобре-ше.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, сти глав и общих выводов. Она изложена на 230 страницах сста, содержит 133 рисунка, 5 таблиц, библиография включает 89 шенований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и определены ювные цели исследований.

В первой главе представлен обзор термомеханических преобра-¡ателей малой мощности трех типов: двигателя внешнего подвода тла (ДВПТ), микроохладителей, работающих по циклу Стерлинга и крокомпрессоров для замкнутых дроссельных систем охлаждения, мечается, что для всех трех типов преобразователей основными облемами являются герметизация внутреннего контура и гспечение чистоты рабочего тела. С учетом уровня мощности (до 5 !т) и требований по габаритам и массе, предъявляемым к бортовым л-емам, можно отметить, что эффективность ТМПТ оказывает ределяющее влияние на массу всей системы в целом. Масштабный ктор вступает в противоречие с термодинамической фективностью, в связи с чем энергопроизводящие системы имеют зкий к.п.д., а энергопотребляющие - повышенную мощность ивода.

Так, ДВПТ Стерлинга (в основном разработки США) для косми-:ких аппаратов имеют уровень мощности свыше 20 КВт и по коне-

трукции являются свободнопоршневыми, что обеспечивает герметичность рабочего конту ра, но не высокий к.п.д.

С целыо реализации ДВПТ малой мощности автором диссертации предложено применить в качестве рабочих полостей складывающиеся мембранные сильфоны, при это отмечаются их преимущества по теплообмену и герметичности.

Для газовой холодильной машины, также работающей по циклу Стирлинга, выявлено значительно больше публикаций. Это объясняется тем, что реально работающие охладители Стирлинга серийно выпускаются уже более 30 лет во многих странах. Применительно к авиационно-космическим системам они наиболее эффективны и обеспечивают работу оптико-электронных систем с уровнем температуры термостатирования в диапазоне 20...80 К. Микро-ГХМ и КГМ поршневых схем считаются в достаточной степени отработанными механизмами. Проблемы, связанные с их применением, обусловлены в основном возможностью размещения машины непосредственно у объекта охлаждения и ее вибрациями. Выполнение рабочего модуля холодильной машины, например, на базе двух сильфонов (или сильфонно-поршневого модуля) дает возможность отделить рабочие полости от механизма привода и тем самым "вписать" микро-ГХМ в заданный объем. Особенности, обусловленные применением сильфонов, диктуют необходимость проработки ряда конструктивно-компоновочных схем машин и проведения цикла опережающих исследований, что и отмечается в разделе рассматриваемой главы.

Обзор и анализ ммкрокомпрессоров для дроссельных систем охлаждения содержит сведения о поршневых и мембранных микрокомпрессорах.

В разделе главы, посвященном опыту использования сильфонов в качестве рабочих полостей, приводятся ссылки на более чем сорок в основном зарубежных источников, среди которых только четыре раз-

ботки реализованы практически.

Анализ публикаций позволяет сделать вывод о том, что в ос-овном в них освещаются вопросы проектирования, технологии изго-вления, конструкции сильфонов, но не их функциональных свойств к рабочих полостей. Публикации, касающиеся отечественных разра->ток сильфонных машин, в основном принадлежат Самарскому аэро-юмическому университету (Куйбышевскому авиационному (статуту) и одновременно автору настоящей диссертационной работы.

Небольшой объем информации по практическому ¡пользованию сильфонов позволяет сделать вывод о новизне и ¡изученности этой проблемы применительно к ТМПТ.

На основании проведенного анализа в главе уточняются цели и эрмулируются задачи исследований.

Вторая глава посвящена описанию сильфона как рабочей злости (рис.1). Приводятся общие сведения о сильфоне, его шструкции, технологии изготовления, отмечается недостаточность гстематизированных сведений по его расчету и проектированию как 1бочего цилиндра машины. Установлено, что с целью достижения аксимальной прочности складывающиеся сильфоны при заданных баритах и ходе целесообразно изготавливать из двухволновых ембран.

Основным содержанием главы являются представленные в ней учетные соотношения для определения геометрических араметров сильфона таких как: текущая высота в зависимости от числа жций, толщины мембран, неполноты прилегания секций и др. водятся понятия: текущий Н и полный Б ход сильфона, эффективная и свивалентная площади внутренней и внешней полостей сильфона, ^личина недоскладывания, коэффициент растяжения. Все известные и новь вводимые геометрические параметры сильфона "увязываются" в асчетных формулах с важнейшими характеристиками, такими как: жущий и описанный объемы рабочей полости, мертвый объем, объем нешних полостей секций, относительный мертвый объем.

В четвертом разделе главы представлены практические рекомендации по выбору параметров сильфона при разработке технических требований на его изготовление.

Третья глава посвящена теплообмену на сильфоне. Как отмечалось ранее, характеристики проектируемой машины будут зависеть от тепловой эффективности сильфонов как теплообменников, поэтому в диссертации изучению этого вопроса уделяется существенное внимание. Прежде всего исследуется картина течения в межмембранных щелях (рис.2 и 3) и выводятся соотношения для расчета скорости течения и объемного расхода V в зависимости от геометрических параметров, частоты складывания. Оценивается уровень этих величин и отмечается, что их диапазон относится к малоизученной области течений. При подходе к теоретическому решению задачи о теплообмене на сильфоне предложено оценить предельные значения тепловых потоков по методу теплового баланса тепла. То есть, учитывая специфичность условий теплообмена на

Рис.1. Сварной мембранный сильфон 100x30x0,2.

;ильфоне, заключающуюся в том, что теплоноситель не перетекает «прерывно над поверхностью теплообмена, а затекает порцией в гупиковый объем секций и возвращается обратно, предлагается тринять, что в пределе его температура станет равной температуре :тенки Тс, и предельное значение теплового потока при таком теплообмене определится полной теплоемкостью теплоносителя, ¡аполнившего секцию. Тогда средний по поверхности и времени тполнения секции максимальный коэффициент теплоотдачи будет:

а _ О™ их'Р-СУ/

"1ах (Тс-Тиач)-Рс ^

де: - объем секции, Г - частота процесса, Рс - площадь поверхности ильфона.

Эта величина будет предельной при самовентиляции сильфона.

Однако для точных методик требуются более достоверные данные также знание динамики процесса теплопередачи, в связи с чем глав содержит разделы, посвященные- экспериментальному исследование процессов. Изучение теплоотдачи при самовентиляции (рис. 4 позволило получить критериальное соотношение для газообразны: теплоносителей:

Ш = 0.07 ■ Яг07

Это уравнение позволяет рассчитать текущие, локальные коэф фициенты теплоотдачи а в межмебранных щелях, что особенно необхо димо в методиках расчета процессов внутри сильфона.

Применение этого соотношения целесообразно для частот! складывания свыше I = 3 Гц, при меньших значениях Г внешнюь теплоотдачу можно оценивать по атах.

Представленные в главе результаты исследований теплопередач] на сильфоне выявили некоторые особенности, а именно: в сильфон' существует непрогретое центральное ядро газа; при газообразны теплоносителях по радиусу мембраны существует заметное распреде ление температуры; имеет место регенерация тепла внутренним! кромками мембран, что приводит к дополнительному (повторному подводу (отводу) тепла к рабочему телу при складывании сильфона как и предполагалось - теплопередача практически завершается з период раскрытия сильфона. В моменты времени, соответствующие ВМТ и НМТ приводного механизма, т.е. при скорости в секциях = О теплообмен осуществляется за счет инерционного движения теплоно сителя, теплопроводности и других второстепенных факторов. В третьем разделе главы приведены результаты исследованш посвященных интенсификации внешнего теплообмена (рис.5). При ис пользовании калориметрического метода с проточной водой внутр! сильфона и обдувом внешним газообразным теплоносителем снаруж1 было получено критериальное соотношение:

N11 = 0.014 -Яе08

позволяющее рассчитать средний по поверхности коэффициент теплоотдачи при фронтальном обдуве сильфона воздухом. Здесь в числах Яе и N11 в качестве характерного размера так же как и для оребренного цилиндра использовался эквивалентный диаметр, который применительно к сильфону учитывал среднее по времени значение высоты щели между мембранами и боковой зазор у дефлектора.

Самостоятельным разделом в главе представлено решение задачи о теплообмене при отсутствии движения газа в секциях (случай компримирования).

В отличие от поршневых машин, когда движение газа в цилиндре носит непредсказуемый характер, в сильфоне распределение массы газа в секциях вполне закономерно, в связи с чем задача решается более корректно. Задача решена в конечных разностях по методу теплового баланса для выделенного элемента секции сильфона с учетом поперечной и радиальной теплопроводности. Решение задачи (подтвержденное в последствии экспериментом) позволяет получать значения теплоемкости и показателя политропы процесса.

В главе четвертой изложены результаты исследований процессов при работе сильфона в гидравлической камере.

Как и предполагалось, гидропривод для сильфона является наилучшим вариантом подвода работы при деформации в нем газа. Уравновешенный давлением жидкости' снаружи и давлением газа внутри, сильфон становится разгруженным от перепада давления, в связи с чем его ресурс приближается к максимальному. Кроме этого жидкость в гидравлической камере снижает необратимость теплопередачи и приближает процессы к изотермическим.

ка Вт/мрК

7 6 5 4

3

У Ь' у ч

у / '4 1

/ Л > ^

<У1 кЬ У

У / оь & V/ ■. и/ *

у *

200

300

I

400

500

-I-

пД/мин

4 5 6 7 8 9 Г,Гц

Рис.4. Экспериментальные значения среднего за время наполнения для всей поверхности сильфона коэффициента теплопередачи К^.Температура снаружи 400.. .800 К.

Вт/м-К 90 80 70 60 50 40 30 20

*

п /МИ1 1 № ** к

1 1 О - 700

| | • - 500

д- 375 /-и« А- 280

/ -2 □ -'200

/ ■ 120

О Вт 110 100 90 80 70 60 50

7 8 6,10"3кг/с

Рис. 5. Экспериментальные зависимости внешнего коэффициента теплоотдачи а" и теплового потока (2 от расхода воздуха при фронтальном обдуве сильфона (35 х 18) : 1 - с вытеснительной втулкой, 2 - без втулки.

Рис. ба. Сильфон в гидравлической камере 1 - сильфон, 2 - цилиндр, 3 - жидкость, 4 - плунжер.

Рис. 66. Течение жидкости гидравлической полости.

в

Потери в гидроприводе, обусловленные трением жидкости ; межмембранных щелях, ее интенсивным перемешиванием динамическими потерями, обусловленными инерционности жидкости, все это делает необходимым исследование гидравлически: характеристик наружной (жидкостной) полости сильфона.

В главе представлены, полученные автором, расчетные формуль для определения скорости, расхода, чисел 11е, определены уровни эти: величин. Отмечается отсутствие решений по определению гидропотер в секциях и у боковой поверхности в зазоре между внешним] кромками мембран и стенками гидравлической камеры (рис.6). Неа декватность характера течения жидкости общепринятым моделям нак ладывает особые требования к методологии решения задачи об опре делении гидропотерь. В связи с этим были раздельно решены задач] расчета гидравлических сопротивлений в секциях, и далее в зазор между боковой подвижной поверхностью сильфона и стенкой камеры, г также рассчитано инерционное сопротивление жидкости.

Для межмембранной щели предложено решение задач] нахождения потерь давления при "течении вязкой несжимаемо] жидкости в щелевых каналах при малых числах Рейнольдса". Отличи рассматриваемой задачи от известных состоит в том, что щел коническая, тупиковая, с переменным по радиусу и времени расходом Полученное для межмембранной щели решение имеет следующий вид: для фазы складывания сильфона

I Вн , П 64 Л, ЯГ? £>я

АР, -к- — -(1-а) ■ р—----= —— • р—^---— *

2 2-к Кес-(1 + а) Хес 2 А

для фазы растяжения

2 ^ 2,Ь Кес-(1 + а) Яес н 2 Ъ '

где А] и А2 - коэффициенты, найденные при решении задачи (их значения зависят от фазы деформации сильфона).

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили асимметрию АР по фазам деформации сильфона и уровень значений этих потерь (рис.7).

Для определения потерь давления в зазоре между сильфоном и стенкой камеры при слиянии и разделении потоков из секций было предложено рассматривать движение жидкости как течение в приточных и вытяжных тройниках. Однако особенностью для сильфона опять становится нестационарность течения и изменение во времени проходных сечений каналов (секций сильфона) и длины коллектора (складывание сильфона). Решение в предположении

квазистационарности процесса позволило получить текущее гидросопротивление по фазам деформации сильфона у .¡-й секции (тройника): - — ,,

где коэффициент сопротивления тройника

£о-|«о- +1/Су (растяжение)

' £.8о-збо° = <?е / <7, +1 • + в;/С, +1 • (сжатие)

и - коэффициенты сопротивления соответственно секции и канала.

Расчетные значения текущих АР в зазоре хорошо согласуются с экспериментом (рис.8), при этом также выявлена асимметрия АР по фазам. Специально разработанная экспериментальная методика

Р.1Г

Н/1Г

0,25 0.20 0,15 0,10 0,05

¿

/ / V •

/ 1 , Ч -Ргп / \ ^

/ / /' л. \ \ л / \ I

1 1 1 1 ' 1 Ч 'ч/1 , /1 / ( Г \ 1

1 1 м ^ ~ - А - -< г г \ У

0 10 20 30 40 50 60 70 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Н.10~

I I 1 'I

О 30 60

90

—I-1—I—I I I—

120 180 240 270

"зОО 330 360 ?

Рис. 7. Гидравлические потери на сильфоне при отсутствии влияния стенок (Вк-Бн)/2>30 мм (пунктирные линии - расчетные зависимости по "методу плоской щели", п=377 1/мин)

Р. 10 н/ы2

,5

О.в 0.5 О.А О.З 0.2 0.1 О "0.1 -0.2 "0.3

1

х 4 — -« ► -» -4 'Ргп

Г л » I ч ^ »

/ / Рг \

/ « — — < 1 >" (

. Ч \ ^ / 1

' 1 / •Рв Ч I V

► / / Ч< ь. 1 >__! "'Л ь- —

/ • 4 1 —

/ Ч

0 10 20 30 40 50 60 70 80 70 в0 50 40 30 20 10 О

Н, Ю~3м

О ЗО 60

—г— ЗО

120

III1 180

240

2ТО

ЗОО ЗЗО ЗОО Ф

Рис. 8. Гидравлические потери в секциях Ргп> сила гидравлического сопротивления сильфона Рг и давление над сильфоном Рв по ходу сильфона. (пунктирные линии - расчетные зависимости по "методу тройников", п=368 1/мин, (Ок-Вн)/2=2 мм, N=34 Вт)

позволила путем индикации гидравлической полости получить динамику процесса, вычленить гидропотери в секциях из общих отерь давления.

В разделе главы, посвященном экспериментальным исследованиям риводятся сведения о стендах, содержание методик и результаты кспериментов.

В качестве особенности при изучении физической картины в амере гидропривода отмечается следующее. Мощность идравлических потерь

пределяется по изменению объема камеры с!Ук, освобождаемого силь-юном ёУс, но с другой стороны сила Рт (рис.8) гидравлических отерь, как сила непосредственного трения, перемещаемой в камере сидкости, характеризует ту же затраченную мощность, но через расход сидкости <ГУсЛ1т из внешних секций сильфона

Так как расход из внешних секций сильфона йVс" < с!Ус' , то |ГП>РГ- Эти величины соотносятся между собой через эффективную и квивалентную площади сильфона Рт/Рг= Рэк/Рэф.

Пятая глава содержит результаты исследований сильфонных вигателя и холодильной машины Стерлинга, а также сильфонного [икрокомпрессора. Так как ДВПТ и ГХМ Стерлинга в основе рабочего роцесса имеют один и тот же теоретический цикл, то математическое писание рабочего процесса составлено на базе одинаковых по труктуре дифференциальных уравнений, полученных из уравнения нергии для переменной массы рабочего тела применительно для аждой из сильфонных рабочих полостей с учетом натекания или стечения газа из рабочего объема (стр. 25)

ад + <п = сю + ¿ь

По степени приближения к реальным процессам в рабочих полостях предложенную методику можно охарактеризовать как методик} третьего уровня. В уравнения были внесены текущие коэффициента теплопередачи (т.е. учтена динамика переноса тепла), учтены теп-лопритоки по насадке и корпусу регенератора, штокам привода сильфонов, тепловые потоки через изоляцию, массоперенос в зазоре штоков, к.п.д. регенератора, а для холодильной машины была определена теплота внутреннего трения в мембранах сильфона.

Численное моделирование рабочих процессов применительно ь расчетной схеме рис.9 позволило получить характеристики е максимальной степени приближенные к полученным в последствш экспериментальным данным. На рис.10 они представлены для ДВПТ При этом основные преимущества такого опережающего численногс моделирования заключаются в том, что заранее было выявлено влиянш отдельно взятых параметров на другие величины и характеристики I целом, что весьма важно для планирования эксперимента пр* многофакторном влиянии. Так, для машин СДВПТ и СГХМ былс предварительно выявлено влияние частоты, внешнего теплообмена температур в цикле, эффективности регенератора. Это в итог* позволило сократить объем экспериментов и время исследований.

Расчетные характеристики, полученные по разработанныл методикам, сравнивались с базовой, так называемой, "изотермическо! методикой Шмидта". Результаты сравнения, например, для двигател: представлены на рис.11. Из их анализа следует, что при приемлемые коэффициентах теплоотдачи снаружи сильфона степень расхождение характеристик в сравнении с идеальной методикой не превышает 1 среднем 20 %, в то время как обычно методики дают расхождение I 50 - 70 %. Этот факт свидетельствует с одной стороны о необходимое^ применения уточненных методик, но с другой стороны подтверждав' более высокую степень совершенства рабочего процесса в сильфонно1 машине по сравнению с поршневой.

Рис. 9. Схема рабочих полостей (а) поршневой и (б) сильфонной тепловой машины Стерлинга: 1 - горячая полость; 2 - нагреватель; 3 - регенератор; 4 - холодильник; 5 - холодная полость.

Q ВТ

Ра - О,1 МПа; Ртах " 0,28 МПа

Ра - 0,125 МПа;

N Вт loo

50

о

■ а - 1С 5

— -_

-шг»- " а - 20 Вт/м2К ^ ........ -

гоо 400 бОО n ZOO 400 БОО п. 1/юш

Рис. 10. Характеристики цикла СДВПТ.

Высокую степень соответствия теории и эксперимент^ подтверждают также и графики рис.12 для СГХМ.

Второй самостоятельной частью главы является раздел посвященный исследованию возможности создания сильфонногс микрокомпрессора с гидроприводом. Так как теория рабочего процессе компрессора объемного действия достаточно хорошо изучена, тс основным материалом, представленным в главе являются конечные результаты экспериментальных исследований. В экспериментах два сильфона (70x40 мм), соответствующих камерам сжатия первой (ход 80 мм) и второй (ход 40 мм) ступеней компрессора были испытаны в условиях гидропривода. Получены значения показателей политропы процессов сжатия и расширения ( п р « п с = 1,01... 1,06), коэффициенты подачи ступеней, реальная производительность (до 0,4 л/с для первой и до 0,15 л/с для второй ступеней при степени повышения давления 8=5), индикаторная работа цикла рис.13,14. Энергетические потери в компрессоре, оцененные изотермическим к.п.д., показывают, что СМК по экономичности может превосходить поршневые аналоги в 1,5-2 раза.

В шестой главе рассмотрены варианты использования сильфонных СДВПТ, СГХМ и СМК в бортовых системах. Представленный в предыдущих главах комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил провести расчет, а в конкретном случае (СГХМ) создать и испытать макеты бортовых систем авиационного назначения.

Так для двигателя была просчитана схема энергосистемы, использующая бортовые запасы криогенного кислорода и водорода. Показано, что при подводе тепла от сжигания компонентов и охлаждении за счет газификации Н2 СДВПТ может быть использован в качестве аварийной системы малой мощности. При этом в случае использования

П щ- О

Т»ш О.5

О.4

О . 3

О, 2

О. 1

Ни

О.4 О . 3

О,2

о.а

20 40 СО 80 ос , Вт/М " К

Рис.11. Степень соответствия к.п.д. - г| и мощности - N цикла сильфонного ДВПТ изотермической методике Шмидта.

с1тх > О

с1т

1 с/Р 1 с/г, Р' с/ г Г, </г

•Г.

Г ¿г.

. _с/р___

с/г V А-Р ¿г

1 к,-ре-т„+др е^+е^+б», -+—-+

як.

¿Р 1 1 ¿К, с/г Р К ¿г

Т; 1)

ТР1 к-Р\\ "гр>

\

/с

с//», < О

с/Г _ А - 1 с/г

А

¿у/у о,,о,,11 7 А-, -^

Р-Г +Р с/г) ' Р \\

■Т

Ох.Ог.Н Вт

70 60 50 40

30 20 10

-ни —1 1—

сЯч-1 г+Г — 5—

ьШ г"

э <Ь—( ►—.(

1 '51

1

»^м Ы

м

3.0 2,5 2,0 1.5

01234567дВт

ТгДх К 330

320

310

300

170

160

150

/

)

—С ----"

Холодопроизводительность, отведенное тепло и мощность цикла .-а'г=50Вт/мг-К, о-а"=\00Вт1м2-К

Влияние давления заправки на температурные уровни в СГХМ

1.5

2,5 3 Рэ,103 Па

Чг.Ох.Н Вт

50 40 30 20 10 0

0г а л

___* Л г<?

N

А

Зависимость характеристики цикла СГХМ от относительной температуры.

1.2 1.4 1.6 1.8 2,0 X = Тг/Тх

Рис. 12. Характеристики модуля СГХМ (два сильфона 35x18 мм, ход 20 мм)

росового тепла основного ядерного или радиоизотопного энергоисточника по эффективности СДВПТ сравним с электрохимическим генератором на тех же компонентах.

В наибольшей степени реализованной практически была авиаци-нная система охлаждения на базе сильфонной ГХМ. В разделе, пос-ященной этой СО представлены анализ нескольких схем систем, из оторых две были выполнены в макетных вариантах. Работа над ними оказала, что по компоновочным свойствам эти системы имеют опре-еленные перспективы применения в составе авиационных комплексов.

В последнем разделе шестой главы рассмотрена дроссельная истема охлаждения на базе сильфонного микрокомпрессора, при ра-оте на многокомпонентных смесях. Для сравнения были выбраны езультаты испытания системы охлаждения на смесях с поршневым омпрессором. Характеристики поршневого компрессора и аложенные на них характеристики СМК показывают, что при равнимой эффективности сильфонный компрессор в перспективе меет несколько лучшие характеристики, т.к. вследствие на порядок еньшего расхода он относится уже к классу микрокомпрессоров, у оторых к.п.д. значительно ниже. При оценке характеристик самой россельной СО на базе СМК показано, что такая система охлаждения удет иметь холодопроизводительность порядка 10...20 Вт на гмпературном уровне 100 К и 50... 100 Вт на уровне 200 К. Для россельных СО. это соответствует уровню удельных характеристик уществующих и перспективных криорефрижераторов малой ощности. Вместе с этим, учитывая отсутствие масла в рабочей смеси и изкочастотность компрессора, по эксплуатационным

арактеристикам система охлаждения на базе СМК существенно ополняет область применения дроссельных СО в авиационно-осмическои технике и конверсионных разработках.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0.0

1 2 3 4 5 6 7 8 €

Рис. 13. Коэффициент подачи X в зависимости от степени повышения давления г в диапазоне частот £ = 1... 5 Гц для сильфонов 1 -й и 2-й

ступеней.

1 2 3 4 5 6 7 8 Е

Рис. 14 Экспериментальные значения индикаторной работы цикла для сильфонов первой и второй ступеней в поле расчетных характеристик по степени повышения давления е.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполнения комплекса теоретических и кспериментальных исследований созданы методические основы, азработаны теоретические и_ экспериментальные методики, нженерные и практические рекомендации по расчету и роектированию термомеханических устройств с сильфонными абочими полостями.

Полученные результаты исследований позволяют моделировать абочие процессы сильфонных машин и с достаточной степенью очности определить их характеристики для бортовых систем виационно- космического назначения, а также конверсионных азработок.

В качестве основных выводов можно отметить следующее.

1. Применение складывающихся мембранных сильфонов в качестве абочих полостей изменяемого объема в термомеханических реобразователях способствует решению проблем герметичности, истоты рабочего тела, повышению эффективности .

2. На основе изучения конструктивных свойств сильфона , а также сследования теплообмена и гидродинамики разработана методология омплексной оценки характеристик выбора параметров сильфона как абочей полости.

3. Разработанные методики, полученные критериальные зависимости

расчетные соотношения позволяют использовать их как в

нженерных расчетах, так и • в методиках высокого уровня, читывающих нестационарность процессов на сильфоне.

4.Результаты изучения особенностей нестационарного накопеременного движения жидкости в секциях сильфона существенно

дополняют известные исследования по гидродинамике щелевы; каналов при малых скоростях и числах Re.

5. Созданы методики расчета потерь давления и энергозатрат npi работе сильфона в условиях гидропривода, что позволяв' минимизировать размеры гидравлической камеры, при это\ установлено существенное снижение удельного энергопотребления пс сравнению с мембранной полостью.

6. Разработаны уточненные методики расчета сильфонных машин позволяющие определять характеристики рабочего процесс; проектируемого устройства со степенью приближения к реальном) объекту в 3...8 %.

7. Разработанные методики и рекомендации позволили создать i исследовать экспериментальные образцы сильфонного двигателе внешнего подвода тепла с мощностью модуля до 250 Вт, сильфонно{ газовой холодильной машины с полезной холодопроизволительностыс до 2 Вт при температуре охлаждения 150 К, провести стендовые испытания двух степеней сильфонного микрокомпрессора со степеньк повышения давления до 25 и производительностью до 0,4 л/с.

8. Результаты исследований сильфонных машин позволила определить типы термомеханических преобразователей, в которых использование сильфонов является наиболее рациональным:

- перекачивающие устройства для чистых и токсичных сред;

- двигатели внешнего подвода тепла (Стирлинга, Эриксона, Ренкина для аварийных установок малой мощности в комплексных бортовых энергосистемах;

- малогабаритные газовые холодильные машины для систе\ охлаждения в авиационных комплексах и вооружении;

- сильфонные и сильфонно- поршневые микрокомпрессоры < гидроприводом в составе дроссельных систем охлаждена космического назначения;

системы охлаждения медицинского назначения с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

- установки с малой частотой процесса в условиях жидкостных теплоносителей в случае утилизации низкопотенциального тепла вторичных энергоресурсов, а также солнечных и геотермальных источников.

9. Разработанные методики, результаты испытаний кспериментальных образцов машин и макетов СО использованы при ыполнении фундаментальных НИР и перспективных НИОКР эвместно с предприятиями ВПК "Вымпел" - Москва, "Арсенал" -иев в 1980 -1990 г.г. и ЦСКБ - Самара в 90-х г.г.

Основные конструкторские разработки сильфонных машин и стройств защищены авторскими свидетельствами СССР, а научные езультаты диссертации изложены в следующих публикациях.

. A.c. 454366 СССР, МКИ F 02 G, Двигатель внешнего сгорания/

Меркулов А.П., Андреев В.И.,Довгялло А.И., - N 167300/24-6;

Завявл.20.09.71; Опубл. 25.12.74. Bron.N 47.

2. A.c. 509729 СССР, Мембранный насос / Довгялло А.И., Меркулов ..П., Шайморданов Л.Г. -N 2018639/40-23; Заявл. 26.04.74; 'публ. 05.04.76; Бюл. N 13.

3. A.c. 781465 СССР, МКИ F 16 J 3/04. Сильфон / Довгялло .И.,Толстоногое A.A. - N271472/25-08; Заявл. 17.01.79; публ.23.11.80. Бюл-N 43.

4. A.c. 855241 СССР, МКИ F 02 G 1/04. Двигатель с внешним эдводом теплоты./ Довгялло А.И., Меркулов А.П. и др.- N 331657/ 25-06; Заявл. 19.10.79, Опубл. 15.08.81. Бюл.ШО.

5. A.c. 1177610 СССР, МКИ F 25 В 9/00. Газовая холодильная ашина./ Довгялло А.И.,Белозерцев В.Н. и др. - N 3739589/23 -5; Заявл. 07.05.84; Опубл. 07.09.85. Бюл. N 33.

6. A.c. 1222991 СССР, МКИ F 25 В 9/00. Теплоиспользующая газовая холодильная машина./ Довгялло А.И.,Белозерцев В.Н. и др. - N 3808232/23-06; Заявл. 31.10.84; Опубл. 07.04.86. Бюл. N 13.

7. А.с Довгялло. 1601475 СССР, МКИ F 25 В 9/00. Газовая холодильная машина. / А^И.,Белозерцев В.Н., Кузькин В.И., Великанов А.Г. N4605083/23-06; Заявл. 15.11.88; Опубл. 23.10.90, Бюл. N 39.

8. A.c. 308200 СССР, Спецтема / Белозерцев В.Н.,Великанов А.Г.,Довгялло А.И. -N4501054; Заявл. 17.10.88; Опубл. 01.02.90.

9. A.c. 1651054 СССР, МКИ F 25 В 9/00. Двухкаскадная газовая холодильная машина./ Довгялло А.И., Белозерцев В.Н. и др.- N 4647818/06; Зпявл. 06.02.89; Опубл. 23.05.91. Бюл-N 19.

10. A.c. 1695068 ССССР, МКИ F 25 В 9/00, Газовая холодильная машина / В.И.Кузькин, А.И.Довгялло и др. - N 4749569/06; Заявл 11.10.89; Опубл. 30.11.91. Бюл. N 44.

11. A.c. 1765642 СССР, МКИ F 25 В 49/00. Микроохладитель /Белозерцев В.Н., Великанов- А.Г., Довгялло А.И. - N 4689380/06; Заявл. 10.05.89; Опубл. 30.09.92. Бюл-N 36.

12. Довгялло А.И.,Меркулов А.И. Внешний теплообмен в складывающемся сильфоне // Тепло- и массообмен в двигателях летательных аппаратов: Межвуз. сб. - Казань, 1977.-Nl.- С.34-40.

13. Довгялло А.И., Мерк'улов А.П. Возможности использования тепловых аккумуляторов в долговременных энергетических системах обеспечения теплового режима // Материалы н-т. конф. ВНИИКТЭП. -М„ 1978. - С.32-35.

14. Довгялло А.И., Меркулов А.П. Предварительные результаты исследований сильфонного двигателя Стерлинга // Вопросы микроэнергетики. Сб. научн. тр. / Куйбышевский авиац. ин-т. -Куйбышев, 1978. - Ч. 2: - С. 76-79:

20. Довгялло А.И., Иванов A.B., Меркулов А.П. Оценка гидропотерь в сильфонном микрокомпрессоре с гидроприводом / Куйбыш. авиац. ин-т,- Куйбышев, 1984. - 5 с. Деп. ЦИНТИХИМнеф- темаш, N1151, N 7, с.130.

21. Довгялло А.И..Белозерцев В.Н. Внешний теплообмен складывающегося сильфона в условиях фронтального обдува / Куй-

16. Довгялло А.И., Кузькин В.И., Великанов А.Г. Сравнение теплопередающих поверхностей микрокомпрессоров / Куйбыш. виац. ин-т. - Куйбышев 1990. - 8 с. Деп. в ЦИНТИХИМнефтемаш 2.04.90, N 3069.

17. Теплообмен в складывающемся мембранном сильфоне / [овгялло А.И., Кузькин В.И., Великанов А.Г., Белозерцев В.Н. // !амарск. Аэрокосм, ун-т, Самара, 1990. Деп. ЦИНТИХИМнефте-:аш, 19.02.90. Деп-N 2091,-5 с.

18. Довгялло А.И., Великанов А.Г., Кузькин В.И. Особенности роектирования компрессоров с сильфонными рабочими орга-ами // Высокотемпературная сверхпроводимость. - 1991.- N 3-4. С.67-9.

19. Гибкая система транспортировки тепла / Довгялло А.И.,Жучков 1.Д., Жемков Л.И., Серебряков P.A. // Тепло- и массообмен в вигателях лететальных аппаратов: Тем. сб. научн. тр. - М.: Изд-во 1АИ, 1991. - С. 42-46.

20. Довгялло А.И., Кузькин В.И.,Великанов А.Г. Особенности роектирования сильфонного компрессора / Самарский госуд. эрокосм. ун-т. - Самара. 1993. - 16 с. Деп. ВИНИТИ, N 2919-В93, 5.11.93

21. Довгялло А.И., Кузькин В.И. Современное состояние разви-ия сильфонных компрессоров и насосов./ Самарский аэрокосм. ун-т. Самара, 1993. - 15 с. Деп. в ВИНИТИ , N 2123-893.

22. Довгялло А.И. Применение дроссельной системы охлаждения в едицине // Гидропривод. Проблемы использования конверси-нных разработок в машиностроении: Материалы Всеросс. научн. ракт. конференц. - Самара, 1994. - С. 22 - 23.

23. Довгялло А.И., Великанов А.Г., Сукчев В.М. Сильфонный икрокомпрессор // Ракетная техника: Научн. техн. сб.Вып.1; ер.ХП. - Самара: РКК "Энергия", 1998. - С.191-195.

24. Лукачев С.В.,Довгялло А.И.,Белозерцев В.Н. Термомехани-еские преобразователи с сильфонными рабочими полостями // [роблемы и перспективы развития двигателестроения,- Самара: ГАУ,- 1998.-Вып.2,Ч-2. -С.127-139.

25. Довгялло А.И.,Докторов О.Ю. Экспериментальная методик; определения гидропотерь при работе складывающегося мемб ранного сильфона в гидравлической камере // Проблемы i перспективы развития двигателестроения,-Самара: СГАУ, 1998. Вып.2,4-2, - С.220-223.

26. Довгялло А.И., Великанов А.Г., Сукчев В.М. Исследованш процесса сжатия в сильфонном компрессоре / Самарск. аэрокосм, ун-т Самара, 1998,- 10 с. Деп. ВИНИТИ, N 1877- В98, 19.06.98.

27. Довгялло А.И.,Лукачев C.B. Сильфонные тепловые, холодильные и компримирующие машины. - Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет, 1998. - 98 с.

28. 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-во УНПЦ "Энргомаш",- М.: 1999. - С.59.

29. Довгялло А.И.,Докторов О.Ю. Гидродинамика круговой конической щели со складывающимися стенками // Вестн. СГАУ. Сер. процессы горения, теплоообмена и экология тепловых двига-телей.Вып.2, / Самарск. гос. аэрокосм. ун-т. - Самара, 1999. - С. 39- 47.

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