5. Параметрическая оптимизация приводов.

Решение задачи совершенствования энергомассовых характеристик (ЭМХ) РП предполагает проведение оценки факторов влияния на целевую функцию, через которые исследователь выходит на наиболее весомые, обеспечивающие достижение максимального положительного эффекта.

Известно, что масса РП является функцией выходной мощности и времени работы. Выходная мощность и мощность источника питания связаны через кпд, который характеризует собой совокупность энергетических потерь по тракту от ТТГГ до ОУ:

Уменьшение потерь мощности на каждом элементе энергетического тракта РП и их совокупности по пути следования энергетического потока обусловливает уменьшение массы входящих в эту цепь элементов, а, следовательно, и массы РП в целом. Оптимальный выбор параметров по совокупности (например, РП+ОУ), обеспечивающий минимум суммарной массы более сложной структуры, уточняет требования к энергетическим показателям РП.

Рассмотрим несколько примеров в плане постановки задачи оптимизации.

5.1. Парметрическая оптимизация ттгг.

Применение в ТТГГ фильтроэлемента для очистки продуктов сгорания рабочего тела от твердых фракций и К-фазы обусловливает наличие неизбежных потерь давления (перепада) на фильтре.

Использование фильтра с малой поверхностью очистки с целью минимизации массы ТТГГ при выбранной степени фильтрации и заданном времени работы приводит к увеличению средней величины перепада давления на фильтре. Увеличение перепада давления повышает давление в камере сгорания топлива, что требует для выполнения требования по времени работы увеличения длины заряда и его массы.

В свою очередь, использование фильтра с развитой (большой) поверхностью приводит к увеличении массы фильтроэлемента, хотя, при этом, за счёт снижения средней величины перепада давления, масса заряда минимальна, так как при минимальной длине обеспечивается заданное время работы.

Если на графике рис. 45 зависимости массы фильтра и массы заряда от перепада давления изобразить две кривые, то суммарная масса m_з и m_ф при выборе рабочей поверхности фильтра, соответствующей среднему значению перепада давления Р_opt, будет минимальна, что позволяет минимизировать массу ТТГГ в целом.

Рис. 45 Оптимизация перепада давления на фильтре ТТГГ

5.2. Параметрическая оптимизация газового мотора апмна.

Входящий в состав экономичного источника питания РП АПМНА, является также объектом параметрической оптимизации. Наиболее эффективно проведение параметрической оптимизации в геометрии узла распределения газа от ТТГГ к блоку цилиндров, в котором происходят механические потери энергии газа при дросселировании газового потока.

Основным источником возмущений являются острые кромки отверстия впуска газа в поршневую полость блока цилиндров. Отверстие образуется при вращении блока цилиндров пересечением цилиндрического отверстия блока цилиндров и серповидного сегмента распределителя газа. Известно, что объёмный кпд газового двигателя формируется индикаторной диаграммой Р=f(V) (где Р – давление в поршневой полости, V – изменение объёма поршневой полости при движении поршня). Чем больше площадь индикаторной диаграммы, тем выше работа цикла газового мотора, тем выше объёмный кпд.

Если газ проходит через острые кромки, то, теряя энергию, время заполнения и достижения максимального давления будет большим, а это уменьшает площадь диаграммы при минимальном начальном объёме полости.

Скругление кромок обеспечит снижение потерь энергии при дросселировании и снизит время заполнения поршневого объёма. Однако, наряду с этим, произойдёт увеличение свободного объёма, что обусловит замедление процесса наполнения полости и достижения максимального давления.

Рис. 46 Конструктивная схема ГМ – объект параметрической оптимизации

Таким образом, решение задачи параметрической оптимизации состоит в расчёте соотношения между радиусом скругления острых кромок и свободным объёмом, при котором время заполнения поршневого объёма минимально, а, следовательно, и угловая скорость блока цилиндров максимальна.

5.3. Параметрическая оптимизация системы ТТГГ-АПМНА.

Параметрическая оптимизация более сложной системы, в состав которой входят ТТГГ и АПМНА, требует знания особенностей их совместной работы.

Параметры ТТГГ формируются через АПМНА действующей нагрузкой на гидравлический насос, в которой определяющей является давление нагнетания рабочей жидкости. Вид проливочной (расходно-перепадной) характеристики клапана – регулятора давления жидкости обусловливает разброс внутрибаллистических характеристик ТТГГ при его эксплуатации в заданном температурном диапазоне.

В этом и состоит особенность работы – во взамосвязанности параметров ТТГГ и АПМНА, в отличие от работы турбонасосных агрегатов от ТТГГ через сопло постоянного критического сечения, работа ТНА не оказывает практически влияния на параметры ТТГГ.

Оптимизация осуществляется в два этапа.

Первоначально рассчитывается давление в камере сгорания ТТГГ, при котором реализуются минимальные объёмные потери газа в распределителе газа и плужерной паре при фиксированном зазоре, что обеспечивает работу энергоблока в режиме рациональной отдачи мощности к нагрузке.

Давление получают в результате решения уравнения баланса для секундного массового расхода газа в ТТГГ и газовом моторе:

Так как выходная мощность энергоблока равна

То с учётом уравнения массового расхода, имеем

Д ифференцируя выражение мощности по давлению и приравнивая его нулю, получим выражение давления от конструктивных параметров газового мотора и баллистических параметров топлива в виде:

По результатам расчёта давления газа, принятого в качестве минимального значения, рассчитывается поверхность горения и тем самым определяется нижняя граница диапазона, и переходят ко второму этапу оптимизации – расчёту конфигурации расходной характеристики газового мотора, минимизирующей массу заряда ТТГГ, а, следовательно, и массу ТТГГ.

Практически задача сводится к выбору из многообразия видов расходно-перепадных характеристик гидравлического клапана – регулятора давления такой расходно – перепадной характеристики, при использовании которой в составе энергоблока привода в заданном температурном диапазоне разброс расхода газа будет минимальным.

Возможные варианты взаимного расположения газоприходных и расходных характеристик представлены на рис. 47

А)

Б)

В)

Рис. 47 Варианты расходно-перепадных характеристик МНА

Анализ вариантов конструктивного исполнения переливных клапанов, формирующих нагрузку на насосе АПМНА при совместной работе с ТТГГ, показал, что в ТТГГ реализутся три вида расходно-перепадной характеристики, реализуемых при работе:

1. Режим постоянного давления Р=Р_min=Const в камере сгорания при переменном массовом секундном расходе топлива m=m_min…m_max (рис. А)).

2. Режим переменного давления при переменном массовом секундном расходе (рис.Б)).

3. Режим постоянного массового секундного расхода m=m_min при переменном давлении P=P_min…P_max (рис. В)).

В режиме 1 имеем максимальный разброс по расходу при минимальном давлении. В этом случае необходимо обеспечить наибольшую длину заряда, исходя из m_max при максимальной температуре заряда, для того чтобы обеспечить заданное время работы. Масса заряда, а, следовательно, и корпуса ТТГГ будет максимальна при минимальной толщине стенки корпуса.

В режиме 3 имеем максимальный разброс по давлению при минимальном расходе. В этом случае, при минимальной массе заряда – минимальной длине, необходимо обеспечить необходимую прочность корпусу ТТГГ из-за максимально реализуемого давления в камере сгорания топлива, т. е. толщину стенки корпуса выполнить максимальной. Масса корпуса будет максимальной при минимальной массе заряда.

Режим 2 является промежуточным для рассмотренных режимов и обеспечивает минимальную массу, если оптимально расположить угол наклона расходной характеристики относительно газоприходных зависимостей топлива для заданного температурного диапазона эксплуатации.