Динамика запуска и функционирования электротермических микродвигателей на аммиаке с трубчатыми нагревательными элементамис коническим и профилированным соплами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.764.001.76 В.Н. Блинов, В.И. Рубан

ПО «Полет» - филиал ФГУП «ГКНПЦ имени М.В. Хруничева», г. Омск

ДИНАМИКА ЗАПУСКА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ НА АММИАКЕ С ТРУБЧАТЫМИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ С КОНИЧЕСКИМ И ПРОФИЛИРОВАННЫМ СОПЛАМИ

Рассмотрены конструктивные особенности и результаты испытаний электротермических микродвигателей (ЭТМД) с коническим и профилированным соплами для двигательных установок микротяги на аммиаке.

132

Конструктивные особенности созданных ЭТМД с коническим и проф плами на аммиаке представлены на рис.1,2 [1,2].

илированным со-

Подвод аммиака Нагреватели

Г ильза Нагреватели Корпус

Г азовод с коническим соплом Газовод с коническим соплом

а б

Рис. 1 Составные части (а) и схема (б) ЭТМД с коническим соплом

Подвод аммиака

Корпус

Нагреватели

Профилированное сопло Профилированное сопло

а б

Рис. 2 Составные части (а) и схема (б) ЭТМД с профилированным соплом

Отличительными особенностями ЭТМД с коническим соплом являются: газовод выполнен с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с от-

ступом от его торцов, и дополнительно размещен внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, и снаружи газовода между цилиндрическими фланцами расположены электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках, например, в виде проволоки из нихрома, диаметр которой меньше диаметра отверстий в трубках, с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, при этом камера выполнена в виде стакана с внутренним диаметром, равным диаметру цилиндрического буртика, и с отверстием в дне, диаметр которого равен диаметру выступающей торцевой части газовода с соплом Лаваля, выполненной ступенчатой, длина утолщенной цилиндрической части которой равна

133

величине утопания цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, который с расположенным в нем газоводом прижат к дну камеры при помощи цилиндрического выступа пустотелой гайки с наружной резьбой, ввинченной в открытый торец камеры, в теле которой размещена система подачи газофицированного топлива в виде подводящего трубопровода, а завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике, при этом на боковой поверхности свободного торца стакана, а также на боковой поверхности газовода у торца, контактирующего с дном стакана и в цилиндрических фланцах газовода выполнены прорези, а чувствительные элементы термопар размещены в газоводе через отверстия в дне стакана и вместе с токовыводами выведены наружу через пустотелую гайку, полость которой и торец камеры заполнены термостойким герметиком.

Для ЭТМД с коническим соплом в сравнении с аналогами обеспечивается: повышенный на (35-40)% нагрев газообразного аммиака, увеличение закрутки газообразного топлива за счет снижения гидравлических потерь на 30-35 %.

Отличительными особенностями ЭТМД с профилированным соплом являются: отверстие в дне стакана камеры выполнено в виде выступающего фланца с цилиндрическим буртиком, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом сопло Лаваля выполнено профилированным, на наружной части которого выполнена аналогичная резьба, оканчивающаяся буртиком, при помощи которой сопло Лаваля ввинчено в выступающий фланец, причем торец сопла Лаваля выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью, выполненной на торце газовода, при этом цилиндрические буртики камеры и сопла Лаваля соединены сваркой.

Для ЭТМД с профилированным соплом обеспечивается: использование профилированного сопла Лаваля оптимальной формы, не зависящей от поперечных размеров камеры микродвигателя, увеличение удельного импульса тяги на (10-15)%.

Результаты испытаний ЭТМД с коническим соплом на аммиаке в составе ДУМИТ для разного времени работы показаны на рис. рис. 3-5, где:

- Тнді, ТНд2, - температура нагревателей ЭТМД, °С;

- КНд - мощность, потребляемая ЭТМД, Вт;

- рк - давление в камере ЭТМД, кПа;

- ТНИ1, ТНИ2 - температура нагревателя испарителя, °С;

- ^~НИ - мощность, потребляемая испарителем, Вт.

При испытаниях данного ЭТМД использовались схемы «горячего» и «холодного» включений ЭТМД.

По результатам испытаний ЭТМД с коническим соплом сделаны следующие выводы:

1. При включении ЭТМД по «холодной» схеме длительностью от 3 до 10 минут достигается максимальная температура в камере ЭТМД в пределах от 458 °С до 617 °С. При увеличении длительности включения до 20 минут прогнозируемая величина температуры составит до 640-650 °С.

2. При включении ЭТМД по «горячей» схеме длительностью от 2 до 5 минут достигается максимальная температура в камере ЭТМД в пределах от 574 °С до 726 °С.

134

800

700

600

500

400

300

200

100

Тнд1, °С Тнд2, °С Ынд, Вт Рк, кПа Тни1, °С Тни2, °С Ыни, Вт

Нагрев ЭТМД

Подача аммиака

Инд

ТнД1 Т НД2

Рк ТНИ1 ТНИ2 ИНИ

Выключение ЭТМД 1, мин.

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Рис. 3. Изменение параметров ЭТМД при включении по «горячей» схеме (коническое сопло)

700

600

500

400

300

200

100

Тнд1, °С Тнд2, °С Инд, Вт

Рк, кПа Тни1, °С Тни2, °С Ыни, Вт

Ини

Инд

Рк

Тнд1

ТНД2

Тни1

Т НИ2

1, мин.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 4. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме (коническое сопло, нагрев и выключение ЭТМД)

135

700

600

500

400

300

200

100

0

Тнд1, °С Тнд2, °С Инд, Вт

Рк, кПа Тни1, °С Тни2, °С Ини, Вт

Ини рк

ТНД2

ТНД1

Инд

Тни1

Т НИ2

1, мин.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Рис. 5. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме (коническое сопло, нагрев и выключение ЭТМД)

700

600 500 400 300

Тнд1, °С Тнд2, °С Инд, Вт

Рк, кПа Тни1, °С Тни2, °С Ини, Вт

Ынд

ТнД1 ТНД2 200 100

Ини Тни1

Т

Рк

НИ2

1, мин.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Рис. 6. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме (коническое сопло, нагрев и выключение ЭТМД)

800

700

600

500

400

Тнд1, °С Тнд2, °С Инд, Вт

Рк, кПа Тни1, °С Тни2, °С Ини, Вт

ТНД1

ТНД2

300

200

100

Ини

Рк ТНИ2

Инд

Тни1

1, мин.

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Рис. 7. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме при мощности 80 Вт (коническое сопло, нагрев и выключение ЭТМД)

800

700

Стационарный режим

600

500

Нагрев

Т нд1,2

Выключение ЭТМД 400

300

200

Ки

Nнд

100

Т

ни 1

Т

ни 2

1, мин

12

15

18

21

24

27

30

33

36

0

3

6

9

Рис. 8. Изменение параметров ЭТМД при включении по «холодной» схеме с ограничением

температуры аммиака (профилированное сопло)

137

Результаты испытаний ЭТМД с профилированным соплом показали, что при расходах аммиака ~4 мг/с и потребляемой мощности 48 Вт выход ЭТМД на режим (700 0С) осуществляется за время не более 5 мин.

Библиографический список

1. Пат. 2332583 Российская Федерация, МПК7 Б 02 К 9/68. Электротермический микродвигатель / Блинов В. Н., Рубан В. И. [и др.]. - № 2000131736; заявл. 13.02.07; опубл.

27.08.08., Бюл. № 24. - 5 с.: ил.

2. Пат. 2442011 Российская Федерация, МПК7 Б 02 К 9/68. Электротермический микродвигатель / Блинов В. Н., Рубан В. И. [и др.]. - № 2010127372; заявл. 02.07.10; опубл.

10.02.12., Бюл. № 4. - 12 с.: ил.