На правах рукописи

ЦЕЛИЩЕВ Дмитрий Владимирович

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТРУЙНОКАВИТАЦИОННОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ

РУЛЕВОЙ МАШИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.04.13

Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа – 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре прикладной гидромеханики.

д-р техн. наук, проф.

Научный руководитель:

БАКИРОВ Федор Гайфуллович

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф.

СПИРИДОНОВ Евгений Константинович декан аэрокосмического факультета, зав. кафедрой гидравлики и гидропневмосистем ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», г. Челябинск д-р техн. наук, проф.

БАЖАЙКИН Станислав Георгиевич директор центра «Нефтегазопромысловых проблем и ресурсов сбережения» ГУП «ИПТЭР», г. Уфа ФГУП Уфимское агрегатное

Ведущая организация:

предприятие «Гидравлика»

Защита диссертации состоится «18» июня 2010 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д – 212.288.05 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12, актовый зал ученого совета (1 корпус), тел. (247) 273факс. (347) 272-29-18, e-mail: [email protected].

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Автореферат разослан «_» 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р техн. наук, проф. Ф. Г. Бакиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейшее совершенствование летательных аппаратов (ЛА), сопровождающееся ростом энерговооруженности, усложнением функций управления требует создания современных гидравлических рулевых приводов, способных обеспечить заданные характеристики. Несмотря на широкое использование электрогидравлического следящего рулевого привода с однокаскадной струйной гидравлической рулевой машиной (СГРМ) в авиационной и ракетной технике, в настоящее время возможность качественного повышения характеристик привода осложняется, прежде всего, сложным характером физических процессов, протекающих в высоконапорном струйном гидрораспределителе (СГР).

Как показывает анализ патентов, посвященных разработке и совершенствованию исполнительных механизмов ЛА (патенты РФ №2116524, №2153104, №2150614, а.с. № 56356, а.с. № 71992), наличие кавитационных явлений в СГР рулевого привода приводит к значительно большим скоростям и ускорениям исполнительного гидродвигателя, независимости скорости перемещения штока гидродвигателя от изменяющейся во времени нагрузки до уровня 2/3 от максимальной величины нагрузки за счет эффекта стабилизации расхода. Данный эффект основан на создании в диффузоре приемной платы СГР устойчивой кавитационной зоны, препятствующей выходу обратных струй из полостей гидродвигателя в струйную камеру и вынуждающей их совершать полезную работу на гидродвигателе. Экспериментальные исследования данного эффекта были проведены в ОАО «Государственный ракетный центр им.

академика В. П. Макеева» и на кафедре прикладной гидромеханики ГОУ ВПО УГАТУ. Натурному моделированию эффекта стабилизации расхода посвящены работы таких авторов, как Б. Б. Некрасов, В. П. Бочаров, В. Б. Струтинский, Э. С. Арзуманов, В. И. Кирсанов, В. Ф. Лысенко и др.

На стадии разработки и исследования рулевого привода со стабилизацией расхода математическое и физическое моделирование процессов в струйнокавитационной гидравлической рулевой машине (СКГРМ) позволит получить информацию о физических явлениях, протекающих в струйном гидрораспределителе, понять структуру кавитационных течений в струйных элементах, а также снизить временные и финансовые затраты при последующей доводке и совершенствовании рулевого привода.

Настоящая работа посвящена разработке методики расчета СКГРМ на основе математического и физического моделирования кавитационных процессов, протекающих в проточной части СГР. Тема работы является актуальной и отвечает приоритетным направлениям развития науки и техники, входящим в перечень критических технологий, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 25 августа 2008 г.

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом исследований по госбюджетной НИР «Разработка СГРМ со струйно-кавитационным регулированием» (2006 – 2007 г.г.), а также планом научных исследований по гранту «Разработка методов расчета и совершенствование рулевых приводов ракетных двигателей», выполняемому в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»

на период 2009 – 2013 годы.

Цель работы. Разработка методики расчета струйно-кавитационной гидравлической рулевой машины (СКГРМ) с использованием методов математического и физического моделирования кавитационных процессов, протекающих в проточной части струйного гидрораспределителя.

';

Основные задачи исследования.

1. Обоснование эффективности использования кавитационных явлений в гидрораспределителе СКГРМ на основе анализа состояния и перспектив развития систем исполнительной гидроавтоматики энергетических установок, использующих эффект стабилизации расхода.

2. Разработка математической модели динамики кавитационного пузырька в переменном поле давления высоконапорных струйных гидравлических устройств исполнительных механизмов ЛА, а также разработка нелинейной математической модели СКГРМ с учетом особенностей струйнокавитационных течений, определяющих получение эффекта стабилизации расхода.

3. Проведение верификации разработанных математических моделей на основе вычислительного и натурного экспериментов СКГРМ и устройства-прототипа – струйного стабилизатора расхода.

4. Разработка методики расчета и рекомендаций по проектированию СКГРМ с применением математических и численных моделей кавитационных процессов, а также результатов экспериментальных исследований.

гидравлическая рулевая машина рулевого привода ЛА.

Методы исследования базируются на методах системного анализа с применением: современных средств компьютерного моделирования, методов математического моделирования, метода конечных элементов, верификации математических моделей на основе результатов экспериментальных исследований.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту:

1. Математическая модель динамики кавитационного пузырька в переменном поле давления высоконапорных струйных гидравлических устройств систем исполнительной гидроавтоматики ЛА.

2. Нелинейная математическая модель СКГРМ, учитывающая особенности кавитационных течений, определяющих получение эффекта стабилизации расхода.

3. Трехмерные численные модели СКГРМ и струйного стабилизатора расхода, полученные в пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX.

4. Методика расчета и рекомендации по проектированию СКГРМ, разработанные с применением математических и численных моделей кавитационных процессов.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые разработана математическая модель динамики кавитационного пузырька в переменном поле давления высоконапорных струйных гидравлических устройств с чередованием участков стесненного и свободного течения жидкости с учетом влияния сил вязкости, сил поверхностного натяжения, содержания газа в пузырьке, близости границ твердой стенки и переменного поля давления.

2. Впервые в нелинейной математической модели классической СГРМ учтены особенности струйно-кавитационных течений, определяющих получение эффекта стабилизации расхода, что позволило разработать нелинейную математическую модель СКГРМ.

3. Впервые разработаны численные трехмерные модели СКГРМ и устройства-прототипа – струйного стабилизатора расхода в пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX, что позволило качественно и количественно оценить влияние кавитационных процессов на характеристики струйных гидравлических устройств.

4. На основе численного и физического моделирования разработана методика расчета СКГРМ, в которой были использованы нелинейные уравнения динамики и сохранения с учетом особенностей протекания кавитационных процессов при стабилизации расхода.

Обоснованность и достоверность результатов исследований.

Достоверность проведенных в работе теоретических исследований и расчетов подтверждена путем верификации на основании результатов экспериментов, полученных при натурных испытаниях струйного стабилизатора расхода на кафедре прикладной гидромеханики ГОУ ВПО УГАТУ и при испытаниях СКГРМ в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева».

Практическая значимость заключается в том, что разработанная методика расчета и рекомендации по проектированию СКГРМ позволяют:

- на этапе проектирования – снизить временные и финансовые затраты при разработке и последующей доводке рулевого привода путем частичной замены натурных испытаний вычислительным экспериментом;

- на этапе исследований – провести анализ работы СКГРМ в широком диапазоне варьируемых конструктивных параметров, давлений питания и внешних нагрузок;

- в учебном процессе – провести численное моделирование кавитационных процессов в СКГРМ при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ.

Методика может быть использована для расчета и проектирования сложных гидромеханических систем исполнительной гидроавтоматики объектов машиностроения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на «Гидромашиностроение. Настоящее и будущее» (Москва, МГТУ им.

Н. Э. Баумана, 2004); НТК «Гидравлика и гидропневмосистемы» (Челябинск:

ЮУрГУ, 2004); «VI Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (с участием иностранных ученых)» (Кемерово, 2005); НТК «Мавлютовские чтения» (Уфа, УГАТУ, 2006, 2007, 2008); МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (Москва, МЭИ, 2008); «Решетневские чтения»

(Красноярск, СибГАУ, 2009); ВНТК «Динамика машин и рабочих процессов»

(Челябинск, ЮУрГУ, 2009).

Результаты отдельных этапов и работы в целом обсуждались на научнотехнических семинарах кафедры прикладной гидромеханики и учебного научного инновационного центра «Гидропневмоавтоматика» ГОУ ВПО УГАТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы. Содержит 229 страниц машинописного текста, 136 рисунков, 10 таблиц, библиографический список из 76 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформирована цель, приведены основные задачи исследований и методы их решения, выносимые на защиту положения, структура и краткое содержание работы по главам.

В первой главе проведен анализ современных разработок и экспериментальных прототипов устройств, использующихся в качестве исполнительных механизмов систем гидроавтоматики ЛА. Анализ показал, что классическая однокаскадная схема струйного гидрораспределителя (СГР) с поворотной струйной трубкой имеет ряд недостатков, основными из которых являются: наличие негативного влияния обратных струй на струйную трубку, осложняющее повышение давления питания свыше 14 МПа; нежесткость внешней статической характеристики; сравнительно низкий КПД струйнодроссельного способа регулирования; разброс статических характеристик рулевого привода, вызванный их значительной зависимостью от конструктивных параметров СГР и представляющий основную проблему при проектировании и доводке.

Многолетние исследования, проводимые ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева» и кафедрой прикладной гидромеханики УГАТУ, позволили разработать принципиально новые конструктивные схемы СГР (рисунок 1), реализующие эффект стабилизации расхода в СКГРМ (рисунок 2). Отличие от классической схемы СГР заключается в измененной конструкции приемной платы, выполненной в виде расположенных друг напротив друга конфузорных и диффузорных каналов, разделенных плоскими щелями. Наличие плоских щелей способствует отводу обратных струй из полостей гидроцилиндра и позволяет снизить их негативное воздействие на поворотную струйную трубку. Схемы защищены патентами РФ №2116524, №2153104, №2150614.

2 – успокоитель; 3 – приемная плата.

Рисунок 1 – Конструктивная схема СГР, реализующего эффект стабилизации расхода Рассматриваемый в работе эффект стабилизации расхода основан на создании в диффузоре приемной платы СКГРМ устойчивой кавитационной зоны, препятствующей выходу обратных струй из гидроцилиндра в струйную камеру и вынуждающей их совершать полезную работу на гидродвигателе.

Прототипом при разработке приемной платы СКГРМ послужил струйный стабилизатор расхода, применяющийся в двухкаскадной схеме СГРМ.

На рисунке 3 приведены результаты экспериментальных исследований СГР классической схемы, полученные при максимальном сигнале управления и различных конструктивных параметрах СГР. На рисунке d – отношение диаметра окна приемной платы к диаметру сопла струйной трубки, H – относительное расстояние между струйной трубкой и приемной платой к диаметру сопла струйной трубки, QД, PД – безразмерные расход и перепад давлений на гидродвигателе соответственно. Анализ результатов показывает, что внешние статические характеристики имеют дроссельный вид, КПД СГР не превышает 43%, наблюдается разброс статических характеристик привода, вызванный их значительной зависимостью от параметров СГР.

На рисунке 4 приведены результаты экспериментальных исследований СКГРМ, полученные также при максимальном сигнале управления и различных конструктивных параметрах СГР. Характер кривых свидетельствует о наличии стабилизации расхода при изменении нагрузки на исполнительном гидродвигателе до уровня 2/3 от максимальной величины нагрузки. Рабочее давление и максимальный КПД СКГРМ увеличены в полтора раза по сравнению с СГРМ классической схемы; коэффициент расхода превышает единицу вследствие эжекции жидкости из струйной камеры; зависимость характеристик привода от конструктивных параметров СГР не столь значительна как в классической схеме.

Рисунок 3 – Обобщенные характеристики СГРМ классической схемы, полученные в ОАО «ГРЦ им. академика В. П. Макеева»

Вторая глава посвящена разработке математической модели динамики кавитационного пузырька в переменном поле давления СГР, а также разработке нелинейной математической модели СКГРМ с учетом особенностей струйнокавитационных течений, определяющих получение эффект стабилизации расхода.

В работах отечественных ученых О. В. Воинова, В. В. Рождественского, А. Г. Петрова, Ю. Л. Левковского, З. С. Арзуманова, Р. И. Нигматуллина, И.Ш. Ахатова, а также зарубежных авторов E. A. Neppiras, M. S. Plesset, C. E. Brennen и др. рассмотрены математические модели, описывающие динамику кавитационных пузырьков под действием поля давления, создаваемого акустической или гидродинамической кавитацией. Однако теория процессов и явлений в высоконапорных струйных гидравлических устройствах с чередованием участков стесненного и свободного течения жидкости в системах исполнительной гидроавтоматики ЛА изучена недостаточно.

Для описания динамики пузырька в СКГРМ полагается, что: пузырек имеет радиальную форму; поступательного движение пузырька относительно жидкости при его росте не происходит;·содержащийся в пузырьке газ расширяется изотермически; влияние сжимаемости жидкости не учитывается;

сжатие газа происходит по адиабатическому закону; пар мгновенно конденсируется.

На основе приведенных допущений, записывается система дифференциальных уравнений динамики пузырька в каналах высоконапорных струйных гидравлических устройств в безразмерной форме:

где R (), R0, Rmax – текущий, начальный и максимальный радиусы пузырька соответственно (м), p, p ( ), pн – давление в невозмущенном потоке, текущее давление и давление насыщенных паров соответственно (Па), V, VPн – скорость на входе в конфузор и в точке, где давление снижается до критического значения соответственно (м/c), rк, L, rд – радиус выходного отверстия конфузора, его длина, радиус входного отверстия диффузора соответственно (м), – угол конусности конфузора (град), K – число кавитации;

Cр () – зависимость коэффициента давления в конфузоре приемной платы СКГРМ от времени,, – безразмерное время; t - размерное время (с), – плотность жидкости (кг/м3), – динамический коэффициент вязкости (Пас), W – число Вебера, – коэффициент поверхностного натяжения (Н/м), – параметр газосодержания, pГ0 – давление газа в пузырьке в начальный момент времени (Па), Re – число Рейнольдса при радиальном движении пузырька, x () – координата центра пузырька на оси, совпадающей с направлением его поступательного движения (м), m – безразмерный конструктивный параметр каналов, поступательном движении пузырька, L – безразмерная длина конфузора.

учитывающая влияние сил вязкости, сил поверхностного натяжения, содержания газа в пузырьке, близости границ твердой стенки и переменного поля давления, решается численно в среде Maple методом Рунге-Кутта 5(4) порядка.

Результаты расчетов показывают, Rmax 0,01 мм, способных к потере устойчивости в конфузоре, движущихся Рисунок 5 – Зависимость безразмерного со скоростями 150 - 200 м/с, расстояние радиуса пузырька от безразмерного и от среза сопла диффузора до координаты размерного времени при замыкании в замыкания составляет 4 5 калибров диффузоре приемной платы при различных (1 калибр эквивалентен диаметру входа диффузора), т. е. кавитационная зона образуется в области стенок диффузора приемной платы СКГРМ, создавая на пути обратных струй, стремящихся выйти в струйную камеру с пониженным давлением, непреодолимую отрывную зону. На рисунке 5 показана динамика пузырьков в переменном поле давления приемной платы СКГРМ.

Разработана нелинейная математической модель СКГРМ, учитывающая особенности струйно-кавитационных течений, определяющих получение эффекта стабилизации расхода в СКГРМ, что позволило в отличие от классической модели СГРМ описать процессы струйно-кавитационного управления расходом.

Для описания физической модели СКГРМ принимаетс я, что:

коэффициенты расхода и восстановления давления в струйном гидроусилителе, давления питания и слива, температура и вязкость рабочей жидкости являются постоянными величинами; рабочая жидкость сжимаема; объемные потери в подводящих гидролиниях малы и не учитываются.

Система дифференциальных уравнений имеет вид:

1) Уравнение динамики электромеханического преобразователя (ЭМП):

где J ЭМП – момент инерции подвижных частей ЭМП (кг м2), z (t ) – величина смещения струйной трубки (м), K MI – коэффициент моментной характеристики (Нм/рад), l - длина струйной трубки, (м), I (t ) – ток в обмотке управления (А), bЭМП – коэффициент вязкого демпфирования ЭМП (Нмс/рад), CП – жесткость внешней центрирующей пружины ЭМП (Нм/рад), M ГД – гидродинамический момент обратной струи (Нм).

2) Уравнения электрической цепи усилителя сигнала ошибки:

где RЭМП – сопротивление обмотки (Ом), L – индуктивность обмотки (Гн), K ПЭ – коэффициент противо-ЭДС (Вс/рад), KU – коэффициент усиления усилителя по напряжению, U ВХ – входной сигнал управления (В), К ОС – коэффициент обратной связи (м/В), yП (t ) – перемещение поршня (м).

3) Уравнение движения инерционной нагрузки:

где mН – инерционная нагрузка эквивалентная массе (Н), yН (t ) – перемещение нагрузки (м), CС – коэффициент жесткости силовой проводки (Н/м), bН – коэффициент вязкого трения нагрузки (Нс/м), RН – позиционная нагрузка (Н), FТР0 – сила сухого трения нагрузки (Н), СН – коэффициент позиционной нагрузки (Н/м).

4) Уравнение движения поршня гидроцилиндра:

где mП – приведенная масса подвижных частей гидроцилиндра и жидкости в его полостях (кг), AЭФ – эффективная площадь поршня (м2), PД (t ) – перепад давлений в полостях гидроцилиндра (Па), bП – коэффициент вязкого трения поршня (Нс/м), FТР0 – сила сухого трения поршня (Н).

5) Уравнение баланса расходов в гидрораспределителе с учетом эффекта стабилизации расхода:

C ГЦ Д AЭФ П

где W0 – начальный объем (м3), CГЦ – эквивалентная жесткость стенок гидроцилиндра и трубопроводов (м3/Па), EИЗ – приведенный модуль объемной упругости жидкости (Па), z (t ) – перемещение струйной трубки (м), zН – смещение струйной трубки, при котором наступает насыщение характеристик (м), Qx – безразмерный расход для осесимметричной затопленной струи жидкости на начальном участке с учетом ее эжектирующих свойств (м3/с), Q0 – расход жидкости через струйную трубку (м3/с), рД (t ) – безразмерный перепад давления во внешней цепи гидрораспределителя, рД, рД – безразмерные перепады давлений, соответствующие развивающейся восстановления давления, Q – коэффициент расхода; x – относительное расстояние между струйной трубкой и приемной платой к радиусу среза струйной трубки.

Математическая модель СКГРМ, учитывающая такие нелинейности, как трение в гидродвигателе и нагрузке, зависимость расхода через струйный гидроусилитель от перепада давлений в гидродвигателе, нежесткость связи гидродвигателя с нагрузкой, решается численно в среде Maple методом РунгеКутта 5(4) порядка.

В ходе численного моделирования определен диапазон стабилизации расхода в струйном гидрораспределителе СКГРМ, соответствующий максимальной величины, что подтверждается экспериментальными данными (рисунок 6).

Погрешность результатов моделирования с учетом предложенного автором уравнения баланса расходов в гидродвигателе при различном положении струйной трубки, в сравнении с экспериментальными данными, в среднем не превышает 5%, что показывает возможность использования модели в инженерных расчетах.

Третья глава посвящена верификации разработанных математических моделей на основе вычислительного и натурного экспериментов СКГРМ и устройства-прототипа – струйного стабилизатора расхода.

С применением пакетов твердотельного проектирования Solid Works и ANSYS Design Modeler разработаны трехмерные модели проточных частей СКГРМ и струйного стабилизатора расхода, являющегося прототипом для приемной платы СКГРМ и применяющегося в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева» в двухкаскадной схеме СГРМ.

Физическая модель течения основывалась на следующих условий: задача решалась в стационарной постановке; течение рассматривалось как гомогенное двухфазное; газообразная фаза (пар) формулировалась в эйлеровой постановке;

эффекты турбулентности течения вводились с помощью модели k ; в качестве модели теплопереноса была выбрана гомогенная изотермическая модель; в качестве модели кавитационного массопереноса была выбрана модель Релея-Плессета.

Краевые условия модели задавались следующим образом: скорость на входе задавалась в виде массового расхода; на выходе и в струйной камере задавалось условие открытой границы (статическое давление); на остальных границах расчетной области задавалось условие адиабатической стенки с нулевыми составляющими скорости потока.

производился в пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX на суперкомпьютере ГОУ ВПО УГАТУ с применением средств параллельных вычислений.

Экспериментальные исследования проводились с автоматизированный стенд для получения статических и – Экспериментальный динамических характеристик рулевых приводов летательных аппаратов, разработанный и изготовленный в ОАО «Государственный ракетный центр им. академика В. П. Макеева» (рисунок 7), а также спроектированный соискателем автоматизированный стенд «Диагностика и идентификация гидросистем», изготовленный компанией «Hydac Sp. z o.o» (Польша), на котором проводились экспериментальные исследования струйного стабилизатора расхода (рисунок 8).

вычислительного и натурного экспериментов струйного стабилизатора расхода.

Независимость расхода от перепада давлений, вызванного действием нагрузки, при 16,8 МПа, подтверждает наличие эффекта стабилизации расхода. Погрешность расчетов расходно-перепадной характеристики при сравнении с экспериментом была в пределах 5%, причем с ростом перепада давлений Рисунок 9 – Зависимость расхода на свыше 12 МПа погрешность увеличивалась.

На рисунке 10 приведены результаты вычислительного и натурного экспериментов СКГРМ. Эффект стабилизации расхода наблюдается при изменении максимального безразмерного перепада давлений до уровня 2/3 от максимального значения перепада давлений при заданной величине смещения струйной трубки z. Излом расходно-перепадных характеристик определяется значениями безразмерных перепадов давлений рД, рД, соответствующих развивающейся и развитой стадиям кавитации.

В ходе численного моделирования в пакете Аnsys CFX установлено, что зависимость расхода на выходе от давления нагрузки является функцией от объемной доли пара в диффузоре приемной платы, которая в пристеночном слое достигает своего максимального значения 0, 9 на расстоянии 4 5 калибров от входа в диффузор приемной платы (см. рисунок 11), что подтверждается математическом моделировании кавитационных процессов (см. рисунок 5).

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета и рекомендаций по проектированию СКГРМ.

Анализ результатов численного и физического моделирования, а также результатов экспериментальных исследований позволил разработать методику безразмерного перепада давлений расчета СКГРМ и выработать рекомендации по проектированию. Методика позволяет проектировщику или исследователю, используя современные вычислительные средства, проводить анализ и синтез гидромеханических параметров рулевого привода, исследовать СКГРМ в широком диапазоне варьируемых конструктивных параметров, давлений питания и внешних Методика содержит:

математическую модель динамики кавитационного пузырька в переменном поле давления высоконапорных струйных гидравлических устройств исполнительных механизмов ЛА;

нелинейную математическую модель СКГРМ с учетом особенностей струйно-кавитационных течений, определяющих получение эффекта стабилизации расхода;

методику проведения численного моделирования высокоскоростных кавитационных течений в проточной части исполнительных механизмов ЛА;

методику верификации результатов численного моделирования на основе результатов экспериментальных исследований СКГРМ;

рекомендации по проектированию СГР, методику синтеза и анализа параметров СГР рулевых приводов.

Для проведения предварительных инженерных расчетов методика содержит набор эмпирических зависимостей, на основании которых проектировщик, без использования средств моделирования и технологии параллельных вычислений, может получить обобщенные статические характеристики привода и провести анализ разработанных схемных решений.

На основании анализа результатов серий вычислительных экспериментов, проведенных на разработанной трехмерной модели СКГРМ, были выработаны рекомендации по проектированию параметров струйного гидрораспределителя СКГРМ при давлениях питания 14 – 21 МПа:

относительный диаметр струйной трубки и конфузорного сопла приемной платы 1,3 d 1,5 (см. рисунок 12);

относительное расстояние от струйной трубки до угол конусности струйной трубки 12 13,5 ;

угол конусности диффузора приемной платы 12o 15o ; гидрораспределителя СКГРМ относительный диаметр конфузорного и диффузорного сопел приемной платы 1,22 d 1,28 ;

относительное расстояние между каналами приемной платы 0,9 H 1,2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована эффективность использования кавитационных явлений в гидрораспределителе СКГРМ на основе анализа состояния и перспектив развития систем исполнительной гидроавтоматики ЛА, использующих эффект стабилизации расхода. Применение данного эффекта позволяет получить ряд ценных для рулевого привода качеств: независимость скорости перемещения гидродвигателя от нагрузки до уровня 2/3 от максимальной величины нагрузки; снижение зависимости энергетических характеристик привода от конструктивных параметров гидроусилителя; стабилизация расходной характеристики и жесткость внешней характеристики привода; повышение рабочего давления привода, максимального КПД гидроусилителя, коэффициента расхода; снижение негативного воздействия обратных струй на струйную трубку.

2. Разработана математическая модель динамики кавитационного пузырька, позволяющая рассчитать динамические параметры пузырька при его движении в переменном поле давления высоконапорных струйных гидравлических устройств с чередованием участков стесненного и свободного течения жидкости. Модель учитывает влияние сил вязкости, сил поверхностного натяжения, содержания газа в пузырьке, близости границ твердой стенки и переменного поля давления, позволяет оценить возможность образования локальных кавитационных зон, способствующих возникновению эффекта стабилизации расхода.

3. Разработана нелинейная математическая модель СКГРМ, что позволило в отличие от классической модели СГРМ описать процессы струйнокавитационного управления расходом. Разработаны трехмерные численные модели СКГРМ и устройства-прототипа – струйного стабилизатора расхода в пакете вычислительной гидродинамики Ansys CFX, что позволило качественно и количественно оценить влияние кавитационных процессов на характеристики струйных гидравлических устройств исполнительных механизмов ЛА.

4. Проведенные экспериментальные исследования струйного стабилизатора расхода, а также результаты натурных испытаний СКГРМ, позволили установить степень адекватности разработанных математических и численных моделей реальным объектам. Погрешность результатов математического и численного моделирования не превышает в среднем 5% при расчетных значениях давлениях питания СГР до 21МПа и статической нагрузке на рулевой привод до 2 104 Н.

5. Разработаны методика расчета и рекомендации по проектированию СКГРМ на основе предложенных математических и численных моделей.

Методика позволяет провести анализ работы СКГРМ в широком диапазоне варьируемых конструктивных и гидромеханических параметров, а также осуществить частичную замену натурных испытаний вычислительным экспериментом в среде Ansys CFX.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Целищев Д. В. Состояние и проблемы разработки струйных гидравлических рулевых машин. / В. А. Целищев, Д. В. Целищев // Вестник УГАТУ, Т.5, №2 (10). – Уфа: УГАТУ, 2004. – С.89 – 98. (личный вклад 5 м/п л.) 2. Целищев Д. В. Гидравлическая машина со струйно-кавитационным регулированием. / Д. В. Целищев // Вестник УГАТУ, Т.7, №2 (15). – Уфа: УГАТУ, 2006. – С.160 – 165. (личный вклад 6 м/п л.) 3. Целищев Д. В. Численное моделирование потоков в струйнозолотниковом гидроусилителе. / Ш. Р. Галлямов, Д. В. Целищев // Вестник УГАТУ, T.11, №2 (29). – Уфа: УГАТУ, 2008. – С.55-59. (личный вклад 3 м/п л.) 4. Целищев Д. В. Исследование гидравлического рулевого привода летательного аппарата. / Ш. Р. Галлямов, Д. В. Целищев // Вестник УГАТУ, T.11, № (29). – Уфа: УГАТУ, 2008. – С. 66 – 73. (личный вклад 4 м/п л.) Статьи в других изданиях:

5. Целищев Д. В. Кавитационные процессы в струйных гидравлических рулевых приводах систем управления ЛА. / О. В. Лелейтнер, Д. В. Целищев // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей: Межвузовский научный сборник. №20. – Уфа: УГАТУ, 2004. – С.287 – 292.

6. Целищев Д. В. Кавитация в струйных элементах. / Д. В. Целищев // Гидропневмоавтоматика и гидропривод: материалы международной научнотехнической конференции, Т.1. – Ковров: КГТА, 2006. – С.181 – 194.

/ Д. В. Целищев // Гидропневмоавтоматика и гидропривод: материалы международной научно-технической конференции, Т.1. – Ковров: КГТА, 2006. – С.171 – 180.

8. Целищев Д. В. Влияние вязкости и сил поверхностного натяжения на замыкание каверны в неподвижной жидкости. / Д. В. Целищев // Мавлютовские чтения: материалы научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения Р. Р. Мавлютова. – Уфа: УГАТУ, 2006. – С.45 – 51.

9. Целищев Д. В. Динамика роста кавитационного пузырька в поле переменного давления. / Д. В. Целищев // Вопросы теории и расчета рабочих процессов тепловых двигателей: Межвузовский научный сборник. – Уфа: УГАТУ, №21, 2007. – С.160 – 170.

10. Целищев Д. В. Основные аспекты явления пузырьковой кавитации в жидкости. / Д. В. Целищев // Наука – производству: ежегодный научно-технический сборник. – Уфа: ГИЛЕМ, № 4, 2007. – С.121 – 126.

11. Целищев Д. В. Струйно-кавитационный способ регулирования струйных гидравлических рулевых машин. / Д. В. Целищев //. – Уфа: УГАТУ, №22, 2007. – С. 128 – 134.

12. Целищев Д. В. Особенности поведения кавитационных каверн вблизи твердых стенок струйного гидрораспределителя. / Д. В. Целищев //. – Уфа: изд.

УГАТУ, №22, 2007, – С.135 – 139.

13. Целищев Д. В. Замыкание поступательно движущейся каверны в свободной затопленной струе жидкости. / Д. В. Целищев // Проблемы и перспективы авиационного двигателестроения – 2007: сборник научных трудов, посвященный 75-летию УГАТУ и ФАД. – Уфа: УГАТУ, 2007, – С.86–92.

14. Целищев Д. В. Исследование процессов и явлений, протекающих в проточной части струйных усилителей двухкаскадных схем. / Ш. Р. Галлямов, Д. В. Целищев // Третья всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых: сборник статей. Т.2. – Уфа: УГАТУ, 2008. – С.191–195.

15. Целищев Д. В. Современные рулевые приводы ракетных двигателей / Г. С. Пермяков, Д. В. Целищев // Материалы XIII Международной научной конференции, посвященной 50-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева. – Красноярск:

СибГАУ, 2009. – С.128–129.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТРУЙНОКАВИТАЦИОННОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ

РУЛЕВОЙ МАШИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени Подписано в печать. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт. 1.0. Уч.-изд. л. 0. ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии УГАТУ