НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Файл статьи: Arefiev_K.pdf (1058.91Кб)

Объектом исследования работы являются малогабаритные газогенераторы (МГГ) на оксиде диазота (N2O) с резонансной газодинамической системой (РГС) инициирования рабочего процесса. Предмет исследования – методы повышения эффективности МГГ. Актуальность работы определяется тем, что в настоящее время МГГ на оксиде диазота в качестве унитарного топлива нашли широкое применение в авиационно-космической технике, в частности в различных энергосиловых установках. Таким образом, повышение эффективности процесса разложения N2O является важной научно-технической задачей.
Рабочий цикл МГГ начинается после подачи через сопло РГС газообразного N2O. При определенном соотношении геометрических и режимных параметров в РГС формируется область неустойчивого газодинамического течения, состоящая из "бочки" и диска Маха. В том случае, когда диск Маха локализуется в области входной кромки резонатора, установленного соосно с соплом РГС, возникают продольные автоколебания, поддерживаемые кинетической энергией подаваемого газа. При этом в застойной зоне резонатора осуществляется интенсивный нагрев газообразного оксида диазота. Выделение тепла происходит за счет высокочастотного циклического процесса прохождения и отражения от торцевой стенки резонатора ударных волн (УВ). Высокий уровень температур в резонансной полости приводит к термическому разложению N2O с выделением тепла и распространению данного процесса вверх по потоку с последующим запуском МГГ.
Целью работы является экспериментальное исследование методов повышения эффективности работы МГГ с РГС, в том числе применения каталитических блоков и первоначального подогрева оксида диазота. Задачами работы является определение характеристик, сравнительный анализ и обобщение полученных результатов для трех вариантов РГС (без каталитических блоков; с торцевой поверхностью резонатора из каталитического материала; с торцевой поверхностью резонатора из каталитического материала и предкамерным каталитическим блоком) при изменении начальной температуры N2O в диапазоне 300...600 К.
В работе представлена схема экспериментального объекта и стенда для проведения исследований, а также методика определения полноты разложения оксида диазота и времени выхода МГГ на номинальный режим. Предложенная методика заключается в определении показателей эффективности на основе анализа спектрограммы пульсаций давления, которая может быть получена с помощью преобразования Фурье. Применение спектрограмм для анализа характеристик рабочего процесса целесообразно в тех случаях, когда высокие уровни температур не позволяют проводить прямых измерений или эти измерения связаны с определенными техническими сложностями, обусловленными малыми габаритами и условиями эксплуатации МГГ.
В соответствии с полученными результатами можно сделать следующие выводы. Применение каталитической торцевой стенки резонатора является эффективным методом интенсификации разложения N2O, что обеспечивает снижение времени выхода на режим более чем на 35%. Установка предкамерного каталитического блока позволяет дополнительно ускорить выход МГГ на режим и увеличить на 5...7% полноту разложения N2O. Повышение начальной температуры оксида диазота положительно влияет на эффективность МГГ, способствует снижению времени выхода на номинальный режим, а также росту полноты разложения N2O. Указанные методы интенсификации процесса разложения оксида диазота технологичны, работоспособны и могут быть применены в МГГ различного назначения. В том числе они могут использоваться в технологических установках для газодинамического напыления покрытий, абразивной резки и пескоструйной чистки материалов, а также в качестве устройств запуска энергетических и силовых установок большой мощности.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта 14-08-01118.

1. Арефьев К.Ю. Исследование методов интенсификации процесса разложения оксида азота в малогабаритных газогенераторах с резонансной газодинамической системой инициирования рабочего процесса // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 6. С. 60-65.
2. Антонов А.Н., Купцов В.М., Комаров В.В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.
3. Угрюмов Е.А. Газодинамические процессы в генераторе Гартмана // Вестник Ленинградского университета. Физика. 1986. № 4. С. 30-37.
4. Дулов В.Г., Максимов В.П. Термический эффект резонатора Гартмана- Шпренгера в режиме высоких частот // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 1. Математика. Механика. Астрономия. 2005. № 4. С. 79-86.
5. Arefyev K.J., Berlov I.V., Zakharov V.S., Ilchenko M.A. Numerical and experimental investigation of the resonant system model sample gasdynamic ignition hight-temperature flow generator // International Conference on the Methods of Aerophysical Research: abstracts. Part 2. Kazan, Russia, 2012. С. 21-22.
6. Воронецкий А.В., Арефьев К.Ю., Ильченко М.А. Экспериментальные исследования характеристик газодинамической системы воспламенения топливной смеси применительно к ЖРД малой тяги // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 10. Режим доступа: http://engjournal.ru/catalog/machin/energy/385.html (дата обращения 01.03.2014).
7. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах "Астра". М.: Изд-воМГТУим. Н.Э. Баумана, 1991.40 с.