автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование процессов смесеобразования и горения в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги на газообразном и жидком компонентах топлива

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудивого Красного Знамени государственный технический университет им. Н.Э.Баумана

На правах рукописи

Оммн Фатоллах

(Исламская ресдублика Иран)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ И ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ НА ГАЗООБРАЗНОМ И ЖЧДКОМ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА.

Специальность С \07.05 - Тепловые двигатели летательных

аппаратов.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степенн кандидата технических наук

тг

¿».Л

СР. О^Ц, Москва -1996

работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана.

Научный руководитель: доктор технических на)к, профессор Сухов A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Балшаков К. В.

,. ' • кандидат технических наук,

доцент Калишевский Л Л.

Ведущаяо( I агнзащм МГМЛ (технический университет}

Защита состоится " " /& • ¡996 г в______часов

на заседании специализированного Совета но энергетическим установкам К.053.15.08 Московского ордена Лсншы, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственного технического университета имени Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская набережная, д.1, корпус "Энергомашиностроение".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУимениН.Э.Баумана.

Автореферат разослан "_"_1996 г

Ваши отзывы в 2-х экз. заверешше печатью,, просьба высылать по адресу: 107005, Москва, 2-я Баранская ул., д.5, МП У, ученому секретарюСоветаК.053.15.08.

Ученый секретарь

специализированного Совет,

к.т.н. \\ 1 ^ л КАТУКОВ Ю Н.

Подписано к печати 7.06.96. Объем Г.О п. л. oaK.gQ3.Tt т. ICQ. Типография ИГО им. Н.З.Баумана

ОБИАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Один из путей развития современных ЖРД связан с совершенствованием смесеобразования и горения различных видов теплив в камере сгорания НРД.

ß настоящее время большой научный и практический интерес имеют двухкомпононтные ЖРД (газ + жидкость), ото, в частности, связано с использованием криогенных компонентов в .лРД малой тяги (ЖРД ftfD космических летательных аппаратов для управления полетом.

Разработка и создание ноеых образцов авиационной и ра-кетко-хссмической техники, ужесточение требований к их надежности, долговечности, тактико-техническим характеристика.'.! и, что немаловажно, к экологичности ставят новые проблемы в этой области науки и техники.

Необходимость повышенной надежности ракетно-космической техники определяет особые требования к НРД MI (коррекция орбиты, стабилизация, ориентация, торможение КМ), в связи с чем совершенствую*, г я рабочие процессы з них и процессы смесеобразования: в частности. Дальнейшее повыление характеристик ДУ .связано с использованием основных компонентов 'хоплива для работа двигателей системы управления* При этом, i ак правило, кр 'огенные компоненты газифицируются.

Таким образом один из путей развития современных НРД заключается в изучении и совершенствовании рабочего процесса на жидком и газообразном компонентах топлива^

На основании сказанного, в соответствии с актуальностью данной проблемы, ее научной и практической значимостью основной целью данной диссертации является:

теоретическое и экспериментальное исследование особенностей организации рабочего процесса в камере сгорания ЖРД МГ на компонентах топлива газ жидкость и разработка на их основе расчетной методики и практических рекомендаций по организации рабочего процесса в камере сгорания ЖРД мт.

Научная новизна работы.

I. В результате проведенных расчетно-теорет* еских

исследования установлено влияние основных параметров (таких, как действительное соотношение компонентов К^,. давление в камере сгорания , геометрические характеристики камеры сгорания, форсуночной головки и др.) на эффективность рабочего процесса ЖРД МГ (коэффициент У7* ).

2. Разработана и изготовлена пневмогидравлическая экспериментальная установка на модельных компонентах (вода + воздух), а также стендовый ЙРД МГ на натурном (керосин + кислород) топливе. Разработаны соответствующие методики проведения модельного и натурного (стендового) эксперимента, а также методики обработки результатов эксперимента. Получены качестве, ные и количественные данные по влиянию различных параметров на характеристики рабочего процесса в камере сгорания, работапцей на газообразном и жидком компонентах топлива.

3. В результате проведенных расчетно-теоретмчвских и вкспериментальных исследований установлено и физически обосновано влияние различных параметров камеры сгорания ЯРД ¿'I «а характеристики рабочего процесса (распиливание, смешение, испарение, воспламенение, горение). На основе выполненных исследований разработана расчетная методика по определение характеристик рабочего процесса.

Практическая ценность работы.

1. Полученные в результате расчетко-теоретических и экспериментальных исследований количественные данные могут быть использованы на стадии проектирования и отработки КРД МГ на газообразном и жидком компо* знтах топлива.

2. Разработанная расчетная методика позволяет определить основные характеристики ЖРД Ш на жидком и газообразном компонентах топлива.

Достоверность и обоснованность полученных результатов научных исследований подтверждается прежде всего экспериментом, проведенным с использованием сталдартных апробированиях методик проведения и обрабо ки результатов исследований, использования высокоточной с/2те ш измерений, з ча-

сткостк на основе лазерных источников и регистрации на ЭВМ, а также удовлетворительным согласованием расчетов с ■ экспериментом и данными других авторов.

Апробация и публикация работы.

Результаты исследований доложены и обсуидены на научных семинарах кафедры "Ракетные двигатели" и отделения öMI НИИ Энергетического ¡¿апиностроения МГТУ им. H.a. Баумана.

Основные положения диссертационной работы изложены в двух статьях (Вестник л£ГТУ. Машиностроение.-ГЭ36»- ¡V 4 ).

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав (обзор литературы» расчетно-теоретичесние и экспериментальные исследования), выводов и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 168 страниц, 66 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников включает 65 наименований.

ССДаРлЛКл РАБОТЫ

Во ьаедении показана актуальность выполненной работы, а также сформулирована oei овная'цель работы.

Нервая глрза посвящена изучению состояния вопроса, сделаны выводы из обзора литературы и сформулированы ос- • новные задачи расчетно-теоретического и экспериментального исследования. ■

В настоящее время вопросам организации рабочего процесса в камере сгорания КРД посвящено достаточно большое количество как экспериментальныхи так и теоретических работ (Абрамович Г.Н., Ваничев А. П., Иевлев В.Н., Кляч-ко Л.А., Волынский М.С.г Васильев А.П., Талаквадэе В.В., Д^рбаков А.а., Новиков В.И. и др.). Большинство из них относится к жидким ракетным топлизам. и касаются» прежде всего, изучения характеристик их распьглизаник, влияния на них различных факторов и параметров. Что касается ^вухком-понентных ЙРД, работающих на кидком и газообразном компонентах ракетного топлива (газожидкостные форсунки), то

эдезь вопросы смесеобразования (ь адкнмосгк, зазг^рс.'-.г^ьа-шш) рассмотрены в значительно меньсей степени за ясгошчонием работ применительно к пневмофорсуякам (Струлевич Н.Н., ;!уки-яма, Танасава, Треш.Г., Вейс М.А. к некоторых других).

Б соответствии с атим на основе сделанных еыбодое по обзору литературы поставлены следуй цие задачи эксперимеит&лько-теоретического исследования:

1. Расчетно-теореткческое исследование характеристик смесеобразования и горения в КС ЖРД МГ на компонентах керосин-кислород.

2. Разработка экспериментальных установок, методики проведения эксперимента а обработки полученных результатов.

3. Проведение экспериментальных исследований на пневмо-гидравлическои и огневом стендах "-¡РД

4. Обработка и анализ полученных результатов экспериментальных исследований.

5. Оценка погрешностей результатов экспериментальных исследований.

6. Сравнение результатов расчета с экспериментом и данными других авторов.

7. Разработка расчетной методики и практических рекомендаций по организации рабочего процесса в КС Щ; Ж на газообразном к жидком компонентах топлива.

Вторая глава посвящена расчетно-теоретичэским исследованиям характеристик рабочего процесса е камере сгорания йРД МГ на газообразном и жидком компонентах ракетного топлива, Приведены результаты термог&зодикамического расчета, рассмотрена качественная картина организации рабочего процесса, система исходных уравнений,, граничила условия и основные принципы решения поставленной задачи, 'сновные особенности решения поставленной задачи и ее отличие от существуют« заключается в используемых компонентах (газообразный кислород и жидкий кёросин), а также в рассмотренной схеме смесеобразования опытного 2РД МГ, использующего распределенную струйко-центробежную и целевую систему подачи компонентов (рис. 1,2), предусматривающие также обеспечение г*плоэащ;ть конструкционных элементов камеры сгорания.

Некоторые результаты расчетов на йШ приведены на рис, 4,

Третья глава посвящена' экспериментальному исследованию характеристик рабочего процесса на модельных и натурных компонентах.

Первая экспериментальная установка предназначена для определения характеристик распиливания. 3 качестве модельных компонентов использовались Еоздух и вода. Основу системы измерений составляет лазерный метод диагностики с регистрацией результатов эксперимента на оЬМ (рис. 5).

На рис. 5, 7, 8, -3 приведены некоторые типовые результаты исследований, позволяющие определить основные характеристики распыливания (тонкость» однородность и равномерность) жидкого компонента в зависимости от перепада давлений ка форсуночной головке, величины относительного расхода газообразного компонента, размера ¡цели Л, - .и др.

Иэ приведенных данных видно, что изменение относительного расхода газообразного компонента и его скорости V/!- существенно влияют на характеристики распиливания, что представляет большой не только научный, но и практический интерес.

Зпкдач». тельная часть ,'.иссертационной работы посвящена создании опытного ЖРД МГ на натурных компонентах ракетного топлива (газообразный кислород и керосин) и проведение на нем испытания в стендовых условиях.

На рис- 1С приведена принципиальная лневыогидравлическая схема стендового опытного ЖРД Ж1. Дано описание рабочего участка (камеры сгорания) и используемой на' стенде системы измерений. Приводятся методики проведения эксперимента, измерения и обработки результатов эксперимента, а такде оценка погрешностей измеряемых параметров.

Результаты стендовых испытаний опытного ЖРД Ш в сравнении с расчетом приведены на рис. II, 12, 13. На рис. 13 приведены результаты испытаний аналогичного ЖРД г£Г, полученные в работе Б.А. Соколоза к др. Удовлетворительное согласование результатов расчета и эксперимента с данными другкг авторов оридетельствует о достаточной надезкности и достоверности получение результатов исследований. - *

ВЫВОДЫ ГО даССЕРЩйОШЮа РАБОТЕ

1. Проведено экспериментально-теоретическое исследока-ние характеристик смесеобразования и горения в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги (КРД МТ). использующего газообразный (кислород) и жидкий (керосин) компоненты топлива,, в результате которых разработана расчетная методика по определению импульсно-тяговых характеристик и практи-. ческие рекомендации по организации рабочего процессе, t КС НРД МТ.

2. Проведено экспериментальное исследование процессов распиливания форсуночной головки камеры сгорания 2РД ¡¿Т на недельных кошошьтах (воздух и'вода) с использованием бесконтактных методов диагностики на основе лазерных источников, в результате которых получек новые количественные зависимости по влиянии различных факторов и параметров на ха-. рактеристики распиливания.

3. Проведен расчет и параметрическое исследование влияния различных факторов и параметров на характеристики смесеобразования и горения по методике кафедры с-1 МГТУ ум. Н.Э. Баумана применительно к конкретной схеме организации рабочего процесса в КС ЖРД КГ, работающего на газеобранок и видком компонентах топлива.

4. Проведены стендовые испытания опытного ЖРД .'Я не компонентах топлива: газообразный кислород и керосин. Дано сравнение результатов эксперимента с расчетом и дьишаг/ других авторов. Показано их удовлетворительное согласование, что свидетельствует о достоверности п<лученных результатов исследования.

5. Полученные данные экспериментально-теоретического исследования могут быть рекомендованы для оптимизации схем смесеобразования и горения, а также геометрических параметров камеры сгорания ЖРД МТ, работающего на газообразном и жидком компонентах топлива.

ПУБЛИКАЦИИ IE ТЕМЕ .ДИССЕРТАЦИИ

1. Новиков S.U., Сими й., Елисеев A.A. Расчетно-аналн-тическое исследование рабочего процесса в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя малой тяги // Вестник М1ТУ. Мвпк::сстроение,- 1096.- !Г 4.- С.

2. Буркальцэв а. А., Омми <5., Сухов A.B. Исследование характеристик распиливания смесительной головки ШРД iffT ка компонентах газ +■ жидкость // Вестник МГТУ. Машинострое-ш:э. - 19)6. ~ У 4.- С.

Рис. I

Поверхность

п

Зона подготовь тельных процессов .

Рис. 2

Рис. 3. йуикиия тока У

Рас. 4. Концентрация кероекна

Рис/5

Испытательный . комплекс для исследования характеристик многофазных систем:

1 - испытательная-камера, 2 - интерференционно-теневой прибор ИАБ-458. 3 - высокоскоростной фоторегистратор (ВФУ), 4. -■ оптический блок, 5 - блок ФЭУ. 6 - цифровой запоминающий осциллограф С9-8,

7 -ЭВМ для .автоматизированной обработки регистрации,

8 - лазерной генф&Юр, -

а Рис, б ; 032= 7? Л, кии

Координат* точки измерения

х- 60мм^ г • и; Р= 39.В1град; йнрмна раднальмогэ Камилл = 10*е»;

Гп(х)

1.0

1 ^ = 11.?, мкн

032 «ах = 28.?, мхм С32 э!п = 5.3, мкк

г

О Рис. 7 332= 29.?, «к*

Координат*, точки измерений; Рк= 0.5 Ша ?г=а5Ша

СОи»; г=50ии," Г=39.81град; •Внрмна радиального канала = 10ни

t

Oi il Q

s 5

« LO

T- ч—

O* О*

T-

vf> íri

О о

II II

О) с»

CL a.

^ ^

CL a.

г 2

¡?r 5Г

о

и к

£ s

■Ê I

. о £

(wxw)eea

ХЗ

0,8-

0,60,4 0,2-

"0

✓ 0 ' 3 Рис. И.

Ф '

-i-

6 9 12 15 - расчет, и эксперимент

i-

оз-O.S' 0,4 02 . О

ЛЯ.

О 02 Рис. 12 _

0.4 oß ад 1 1

-расчет, ш эксперимент

Pj.Mtla

и

Û75

OJS

PlClET ПИ <1к-5010 M./i4î5,P«-1.0Mi -ЭШЕМШТ

-АШЫЕ- -ifsm mwaj&.A.CoKo-од . пз лов ^др./

Рис .13

Lk, m