Раздел 2 Теоретические аспекты формирования облика воздушно-реактивной двигательной установки легкого БЛА
2.1 Синтез конструктивной схемы МкВРД малой тяги
Учитывая, что применение лопаточных машин в качестве компрессора не снимают остроту проблемы вырождения рабочего процесса в воздушно-реактивном двигателя с уменьшением потребных тяг и, следовательно, геометрических размеров, для применения на БЛА сверхлегкого класса предлагается мотокомпрессорный ВРД с роторным компрессором объемного типа (например винтовой или коловратный компрессор). За счет более высокого КПД машин объемного типа по сравнению с малоразмерными лопаточными компрессорами, такой МкВРД будет обладать более высокими характеристиками в части экономичности. В [10] имеются данные о доведении полного КПД винтовых компрессоров сравнимой размерности до 0.7-0.75.
Ниже представлены варианты компоновок МкВРД на основе приводного ДВС авиамодельного класса и компрессорами объемного типа.
Рисунок 2.1.1 - Вариант компоновки с МкВРД
с коловратным компрессором
Рисунок 2.1.2 - Варианты компоновки МкВРД с винтовым компрессором
2.2 Выбор конструктивной схемы ПуВРД
Для применения на БЛА сверхлегкого класса с взлетной массой порядка 20-25 кг и максимальной скоростью не менее 150 м/с, ПуВРД должен обладать характеристиками, представленными в табл. 2.2.1.
Таблица 2.2.1 - Потребные характеристики ПуВРД для сверхлегкого БЛА
№ПараметрЗначение1. Тяга, Н70...1002. Ресурс, мин>303. Мидель, м2<0.014. Масса, кг<1.55. Удельный расход горючего, кг/Н*ч<0.3
Применение бесклапанных вариантов ПуВРД может быть целесообразным только на возвращаемых или пилотируемых аппаратах благодаря повышенному ресурсу и большей надежности по сравнению с ПуВРД, оснащенным впускным клапаном. Для применения на одноразовых невозвращаемых аппаратах важнейшим фактором становится низкая стоимость ДУ, а также снижение удельного расхода горючего для обеспечения возможно большей продолжительности полета.
С учетом требований технологичности и простоты изготовления наиболее подходящим представляется автоматический впускной клапан лепесткового типа с моноблочным упругим элементом типа "ромашка". Данный тип ПуВРД с успехом использовался в авиамоделизме, имеются также рекомендации и расчетные методики определения основных параметров проточной части [33].
На рис.2.2.1 представлен эскиз проточной части исходного работоспособного образца ПуВРД, принятого за основу для проведения дальнейших исследований.
Рисунок 2.2.1 - Конфигурация исследуемого ПуВРД
2.3 Сравнительный анализ схем ВРД
для малоразмерных БЛА
Для проведения сравнительного анализа в первом приближении наиболее удобным является расчет термодинамических циклов двигателей и оценка массогабаритных показателей известных образцов. Для вновь разрабатываемых типов ДУ было проведено эскизное проектирование, на этапе которого были оценены предполагаемые характеристики массо-габаритного совершенства.
Для рассматриваемых типов ДУ подобные расчеты были проведены для определения:
1) Оптимальной степени повышения давления в компрессоре МкВРД;
2) Скоростных характеристик в диапазоне 0-200 м/с.
Исходными данными расчетной модели являются:
1) Скорость полета V0;
2) Параметры стандартной атмосферы k, p0, R0, T0;
3) Характеристики горючего (стехиометрический коэффициент L0, удельная теплота сгорания ?H0);
4) Характеристики приводного ДВС (мощность NПД, удельный расход топлива Спд) МкВРД;
5) Номинальная степень повышения давления в компрессоре ?К.
Паспортные данные авиамодельного двигателя МДС-10КРУ в исходном (калильный) и модифицированном (дизельный) варианте представлены в табл. 2.3.1.
Таблица 2.3.1 -Характеристики приводного ДВС
№ ВеличинаВарианткалильныйдизельный1. Мощность двигателя Nпд, кВт2.21.82. Частота вращения коленвала nкв, об/мин21000190003. Степень сжатия10.514.04. Уд. расход топлива Спд, кг/кВт*ч2.00.45. Масса Мпд, кг0.550.55
Систему уравнений, описывающих рабочий процесс в МкВРД, c использованием соотношений термодинамики представим как:
( 2.3.1)
где M0 - число М полета;
p1, T1 - давление и температура торможения перед компрессором;
?К - степень повышения давления в компрессоре;
p2, T2 - давление и температура торможения за компрессором;
Lад2 - удельная адиабатическая работа компрессора;
- массовый расход воздуха;
?к - полный кпд компрессора;
- массовый расход горючего;
T3 - температура перед соплом;
с4 - скорость истечения;
R - сила тяги;
Суд - удельный расход горючего.
Коэффициент полезного действия компрессора объемного типа на основе обработки данных [10] был принят равным 0.7.
Для выбора степени повышения давления компрессора была проведена оптимизация параметров ДУ, в качестве целевой функции выбрана удельная суммарная масса ДУ и топлива:
( 2.3.2)
где MДУ - удельная масса ДУ;
MУДК - удельная масса компрессора;
tп - время полета.
Массогабаритные характеристики МкВРД оценивалась на основе паспортных данных приводного ДВС и результатов эскизного проектирования. Удельная масса компрессора объемного типа на основе результатов эскизного проектирования (рис.2.1.2) была принята равной 5 кг/кг*с при частоте вращения ротора компрессора 19000 об/мин.
Рис.2.3.1 представляет поведение целевой функции в зависимости от степени повышения давления при параметре tп=3600 с (1 час), исходя из которого была принята степень повышения давления в компрессоре МкВРД ?К=1.3.
Рисунок 2.3.1 - Удельная масса ДУ с МкВРД (V=100 м/с, H=0, tп=1ч)
Для всех типов ДУ была проведена оптимизация параметров с учетом характеристик БЛА, в качестве целевой функции была принята масса двигательной установки совместно с топливом, исходя из обеспечения времени полета 30 мин. Полученные характеристики представлены на рис.2.3.2 - 2.3.4.
Рисунок 2.3.2 - Удельная тяга
Рисунок 2.3.3 - Удельный расход топлива
Рисунок 2.3.4 - Полетный КПД
Из рисунков видно, что наиболь