автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме

На правах рукописи

Воробьев Алексей Геннадиевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛЫХ ТЯГ, РАБОТАЮЩИХ НА НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИМЕ

Специальность 05.07.05 "Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 г.

604602301

004602801

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Черваков Валерий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Денисов Константин Петрович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Суриков Евгений Валентинович. Ведущая организация: ОАО ТМКБ «Союз»

Защита диссертации состоится « ¿lf» _2010 г. в Jf часов на

заседании диссертационного совета Д212.125.08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете), по адресу: 125993, Россия,

г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета).

Отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 125993, Россия, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.

Автореферат разослан «JLi.» с{ u^xíyf^_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.125.08,

д.т.н., профессор:

Ю.В. Зуев

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (государственный технический университет) "МАИ"

- В Российскую государственную

МАИ, Волоколамское ш., д. 4 библиотеку

Москва, А-80, ГСП-3, 125993 Факс: (499) 158-29-77 Телефон: (499) 158-43-33 101 ООО, Г. Москва,

Электронная почта: aet@mai.ru уд. ВоЗДВИЖеНКа, 3

№9-202-11 " /2 " Cjupes^SL 2010 Г.

Направляю Вам автореферат диссертации Воробьева Алексея Геннадиевича на тему: «Экспериментально-теоретическая модель теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных жидкостных ракетных двигателей малых тяг, работающих на непрерывном режиме», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Защита диссертации состоится 24 мая 2010 г. на заседании диссертационного совета Д212.125.08 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) "МАИ" по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.

Приложение: автореферат

Ученый секретарь диссертационного совета Д' д.т.н., профессор

.В.Зуев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Одной из основных задач, стоящих перед разработчиком космического аппарата является создание двигательной установки для управления движением космического аппарата с высокоэкономичными и надежными жидкостными ракетными двигателями малых тяг (ЖРДМТ).

Экономичность ЖРДМТ характеризуется величиной удельного импульса двигателя и обеспечивается за счет лучшего смесеобразования в камере сгорания, высокой температуры продуктов сгорания, применения жаростойких материалов в конструкции двигателя. Надежность ЖРДМТ обеспечивается их экспериментальной огневой отработкой. Затраты на огневую отработку ЖРДМТ являются основной составляющей стоимости создания двигателя.

Наиболее теплонапряженным элементом конструкции ЖРДМТ является камера сгорания (КС) двигателя. Увеличение удельного импульса двигателя, сокращения числа огневых доводочных испытаний и повышения их эффективности можно добиться путем прогнозирования температурного поля КС посредством разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС ЖРДМТ, которая должна:

1) учитывать особенности таких двигателей:

- отсутствие регенеративного охлаждения;

- наличие завесного охлаждения;

- нестационарность теплового поля камеры сгорания;

- специфичная организация прогресса смесеобразования;

2) рассматривать большинство из факторов, влияющих на процесс в двигателе:

- параметры рабочего процесса (давление в камере сгорания , различные

пары компонентов топлива, соотношение компонентов кт);

- организацию смесеобразования;

- организацию завесного охлаждения;

- применения различных материалов для стенки КС и сопла;

3) рассматривать сложный характер процессов теплообмена в камере сгорания двигателя:

- испарение жидкой пленки завесы на начальном участке перемешивания;

- конвективный теплообмен между продуктами сгорания и стенкой камеры двигателя с учетом турбулентного перемешивания завесы с пристеночным слоем;

- радиационный теплообмен на внутренней и наружной поверхностях стенки КС и сопла;

- теплопередача в стенке камеры двигателя;

- теплообмен на внешней поверхности стенки КС и сопла при испытаниях в атмосферных условиях;

- стационарный и нестационарный тепловые режимы.

Существующие модели, позволяющие определять тепловое состояние двигателя, рассматривают лишь часть из вышеперечисленного.

Поэтому разработка экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ, работающих на непрерывном режиме, является актуальной научно-технической задачей.

Целью работы является повышение удельного импульса двухкомпонентного ЖРДМТ, работающего на непрерывном режиме, и сокращение количества огневых испытаний двигателей путем разработки и применения экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС ЖРДМТ.

Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Разработка и реализация экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ, работающего на непрерывном режиме, на основе методик расчета процессов в камере сгорания и сопле больших ЖРД, с учетом особенностей рабочего процесса и конструкции двигателей малых тяг.

2. Разработка и испытание модельной камеры сгорания двигателя с целью отработки и верификации экспериментально-теоретической модели.

3. Проведение огневых испытаний ЖРДМТ с целью определения теплового состояния КС двигателя и сравнения результатов экспериментов с результатами моделирования.

4. Использование модели для определения оптимальных рабочих и геометрических параметров, выработки рекомендаций по конструкции КС и смесительных головок двигателей ДМТ МАИ-200 и ДМТ МАИ-500 с целью получения максимального ожидаемого удельного импульса.

5. Проверка модели для двигателей, работающих на разных компонентах топлива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые обоснована и разработана экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ на основе методик расчета процессов в КС и сопле больших ЖРД, с учетом особенностей двигателей малых тяг.

2. Проведено моделирование теплового состояния КС двигателя, получены распределения температуры внешней стенки, температуры стенки со стороны продуктов сгорания, температуры продуктов сгорания вблизи стенки, тепловых потоков вдоль камеры двигателя на стационарном и нестационарном тепловых режимах.

3. Проведен анализ влияния основных параметров двигателя, схемы форсуночной головки, параметров смесеобразования и завесного охлаждения на тепловое состояние КС двигателя.

4. Даны рекомендации по увеличению удельного импульса рассматриваемых в работе ЖРДМТ путем оптимизации основных параметров двигателя, параметров смесеобразования, применения жаропрочных материалов, проведена численная оценка повышения удельного импульса двигателя от принимаемого комплекса мер.

Степень обоснованности и достоверности полученных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:

• использованием известных научных положений, методов исследований, апробированных методик расчетов;

• определение теплового состояния камеры сгорания и сопла двигателя основано на общих положениях теории теплопередачи и теплопроводности;

• для численного решения задачи нестационарной теплопроводности используется общепризнанный метод конечных элементов;

• достоверность каждой из использованных методик подтверждается сравнением полученных результатов с данными других авторов;

• результаты расчета и анализа теплового состояния камеры сгорания ЖРДМТ по модели подтверждаются экспериментальными данными автора и других исследователей.

Основным вкладом диссертанта является предложенная и разработанная автором экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ, работающего на непрерывном режиме. Автор принимал непосредственное участие в разработке, составлении конструкторской документации и проведении огневых испытаниях ЖРДМТ, рассматриваемых в работе.

Практическая ценность результатов работы

Применение разработанной модели позволяет повысить удельный импульс ЖРДМТ, снизить количество огневых испытаний, повысить их эффективность, и, как следствие, снизить затраты на разработку и доводку двигателя.

В работе изложена методика моделирования теплового состояния камеры сгорания двухкомпонентных ЖРДМТ для различных параметров рабочего процесса в камере двигателя.

Созданная экспериментально-теоретическая модель позволила выявить резерв по тепловому состоянию ЖРДМТ ДТМ МАИ-200 (компоненты: четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин) и выработать рекомендации по изменению параметров двигателя, конструкции камеры сгорания и головки двигателя.

С использованием модели разработан новый ЖРДМТ ДМТ МАИ-500 (компоненты: высококонцентрированная перекись водорода и керосин). Для двигателя выбраны рабочие и геометрические параметры, проведен предварительный прогноз теплового состояния стенки камеры сгорания и сопла и выработаны рекомендации по конструкции головки и камеры двигателя.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались: на научной конференции «Авиация и космонавтика» (МАИ, г. Москва, 2003 г.), на 9-ой международной конференции "Системный анализ и управление" (г. Евпатория, 2004 г.), на международной конференции International Symposium on Space Propulsion (ISSP) (r. Beijing, 2007 г.), на конференции «Стендовые испытания и исследование агрегатов ракетных двигателей, космических аппаратов и ступеней РН» (НИИхиммаш, г. Пересвет, 2007 г), на Всеросийской научно-технической конференции "Ракетно-космические двигательные установки" (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008), на международной конференции «The 60th International Astronautical Congress» (Daejeon, Republic of Korea, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемых источников из 95 наименований, изложена на 164 страницах машинописного текста и иллюстрирована 128 рисунками, число таблиц -19.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается ее новизна, формулируется цель работы и задачи исследования.

Первая глава посвящена обзору литературных источников по теме исследования. Анализ показал что, несмотря на существование отдельных методик расчетов процессов, связанных с тепловым состоянием камер сгорания ЖРДМТ, до

настоящего времени отсутствует целостная модель, позволяющая моделировать тепловое состояние камер сгорания ЖРДМТ с учетом влияния основных параметров двигателя и конструкции головки на тепловое состояния КС и сопла и на энергетические характеристики двигателя.

Во второй главе представлены объекты исследования диссертационной работы. Объектами исследования являлись ЖРДМТ ДМТ МАИ-200, ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С с секционной камерой двигателя и разрабатываемый ЖРДМТ ДМТ МАИ-500ВПВК.

ЖРДМТ ДМТ МАИ-200 (см. рисунки 1, 2) оснащен съемной форсуночной головкой с канальной завесой (см. рисунок 4) из горючего на компонентах топлива четырехокись азота и несимметричный диметилгидразин (^(^(СН^^НЬ). Тяга двигателя составляет 200 Н. Удельный импульс - 292 сек. Соотношение компонентов - 1.85. Материал стенки КС - ХН60ВТ, максимально допустимая температура огневой стенки не должна превышать 1400К. Двигатель ДМТ МАИ-200 был разработан по контракту между МАИ и Пч1РЕ (Бразилия).

Съемная головка, которая посредством фланцевого соединения крепится к корпусу КС, позволяет наиболее экономно отрабатывать рабочий процесс в двигателе. На двигателе устанавливались однофорсуночная (см. рисункок 3), семифорсуночная (см. рисунок 6) и девятнадцатифорсуночная смесительные головки. Уплотнение осуществляется с помощью медного кольца.

Для замера температуры внешней стенки КС использовались термопары хромель-алюмель, которые размещались в каждой характерной части камеры: цилиндрической, докритической и закритической.

Рисунок 1 . ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1

Рисунок 3. Головка ЖРДМТ ДМТ МАИ-200.

Рисунок 4. Организация завесного охлаждения.

V

А

Термопара ' Термопар» Х;2'

Термопара '^г-! 'Термопара

Рисунок 5. Схема расположения термопар на подрезанной камере ЖРДМТ ДМТ МАИ-200,

Рисунок 6. Конструкция головки двигателя ДМТ МАИ 200-7. 1 - пластина горючего, 2 -пластина окислителя, 3 - крышка головки, 4 -подвод компонентов, 5 - корпус головки.

Для отработки и верификации экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двигателя, под однофорсуночную головку двигателя ЖРДМТ ДМТ МАИ-200 была специально спроектирована и изготовлена модельная секционная камера, двигатель получил обозначение ДМТ МАИ-200-1С (см. рисунки 7-10).

> ' I

' С1

■т ■ | г

Н

Рисунок 7. Камера ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С

Рисунок 8. Двигатель ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С в сборе с установленными на внешнюю поверхность термопарами.

'езиновое колыю

•Сферическая поверхность

Коническая поверхность

Рисунок 10. Место соединения секций

Рисунок 9. Схема обозначений секций и расположения термопар.

Секционная конструкция была специально разработана для того, чтобы исключить тепловые перетекания вдоль камеры, а использование теплопроводного материала позволило рассматривать нагрев секций как нагрев калориметрического тела, что упростило расчет и перенос граничных условий на объектовую камеру.

Двигатель малой тяги ДМТ МАИ-500ВПВК (см. рисунки 11, 12) тягой 500Н предназначен для выведения КА на апогейную орбиту, был разработан по контракту между МАИ и СЫи (Южная Корея). Отличительными особенностями двигателя являются используемые компоненты топлива (высококонцентрированная перекись водорода (94%) + керосин) и сменная форсуночная головка. Съемная смесительная головка позволяет проводить исследовательские работы, связанные с оптимизацией смесеобразования и воспламенением несамовоспламеняющихся компонентов топлива: выбрать тип и количества смесительных элементов, схему их расположения на плоскости форсуночной головки, оптимально организовать завесное охлаждение, выбрать способ и конструктивное решение системы воспламенения топливной композиции и др.

Рисунок И. Газодинамический профиль КС и сопла рисунок 12. Модель двигателя ДМТ ДМТ МАИ-500ВПВК. МАИ-500ВПВК

В главе представлены основные условия проведения огневых испытаний объектового и модельного двигателей, чертеж рабочего участка стенда, где проводились эксперименты, основные измеряемые и регистрируемые параметры при огневых экспериментах.

Третья глава посвящена теоретической части модели теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ.

Описывается физическая картина процессов в камере ЖРДМТ, рассматриваются методы теплозащиты стенки ЖРДМТ, определяется список параметров, участвующих в моделировании, формируется концепция

экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС ЖРДМТ. В главе указаны допущения, принятые в модели.

Разработанная экспериментально-теоретическая модель позволяет рассчитывать параметры ЖРДМТ по начальным данным технического задания, или задавать напрямую часть данных с уже существующих двигателей. Это дает возможность проводить моделирование вновь разрабатываемых двигателей и анализировать работу уже существующих ЖРДМТ. Данные с экспериментов отработанных двигателей используются для отладки и настройки самой модели.

На рисунке 13 представлена структурная схема математического аппарата экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ.

Рисунок 13. Структурная схема математического аппарата экспериментально-теоретической модели теплового состояния КС двухкомпонентного ЖРДМТ.

Общая постановка задачи сформулирована как нахождение зависимости отдельных или совокупности параметров двигателя при заданных внешних условиях на тепловое состояние КС и сопла и на энергетические характеристики двигателя. В любой постановке задачи определяется ожидаемый удельный импульс двигателя, значение которого является оценкой энергетических возможностей исследуемого объекта. Модель позволяет проводить оптимизацию параметров КС с целью получения максимального удельного импульса. Для вычисления используется

алгоритм расчета удельного импульса по местным соотношениям компонентов топлива kmi в заданных площадках КС.

В главе описываются применяемые в экспериментально-теоретической модели методики (согласно схеме на рисунке 13): термодинамического расчета, расчета тепловых потоков с учетом перемешивания завесы с пристеночным слоем, расчета тепловых потоков на нестационарном режиме, численного решения задачи нестационарной теплопроводности, а также алгоритм выбора оптимальных рабочих параметров двигателя.

Расчет основных параметров КС, газодинамический расчет и расчет форсунок смесительной головки производится по стандартным отраслевым методикам, описанным в литературе.

Алгоритм термодинамической модели был взят из уже апробированных и широко используемых программ и методик. Расчет состава и температуры горения при низких соотношениях компонентов, что характерно при перемешивании пристеночного слоя с завесой, сопряжен с большими трудностями из-за наличия твердой фазы и значительной степени неравновесности, поэтому при расчетах в математической модели применялись данные для термодинамических расчетов генераторных газов с малым значением коэффициента избытка окислителя, соответствующие равновесному составу.

В качестве основы расчета перемешивания завесы с ядром потока и испарения жидкой пленки завесы используется стандартные для двигателей больших тяг методики с поправкой на возможное применение окислителя в качестве компонента завесного охлаждения.

Расчет тепловых потоков производится по методикам расчета конвективного и лучистого теплообмена в камере сгорания ЖРД. В рассматриваемом случае учитываются потери тепла от КС в окружающую среду для условий, характерных для стендовых испытаний.

Численное решение представляет собой решение нестационарного линейного уравнения теплопроводности с граничными условиями 3-го рода.

В решении задачи теплового состояния КС ЖРДМТ первоначальным является определение внутренних конвективного и радиационного тепловых потоков на нестационарном режиме работы двигателя.

Суммарный тепловой поток, передаваемый от продуктов сгорания в стенку, складывается из двух частей: конвективного и радиационного тепловых потоков (1). Потери тепла, отдаваемого наружной поверхностью камеры во внешнюю среду, имеют аналогичные составляющие (5).

При расчете конвективной составляющей при условии Гс„„ = const используется уравнение , которое определяется согласно методу расчета конвективного теплообмена с учетом решения интегральных соотношений пограничного слоя, разработанного В.М. Иевлевым (2).

Расчет лучистой составляющей внешнего и внутреннего теплового потоков проводится по методике Фролова (3), (7).

(1) (2)

i,™ = - AXTjmy\ (3)

,CT=(W 7......... 1 (4)

„„„„,, /Rcm mm ) J

9«-™- ,(?;„,_.„„,-r„„J; (6)

(7)

Ял ^O^cm _внеи<\ JQQ

, dT <T т \ (Tcn V (8)

Для расчета комплекса s(k,„ „,,,7;„,,), числа Прандтля Рг и множителя i?(/ir,„ ст,ТШ1) необходимо знать соотношение компонентов непосредственно возле стенки в зоне пограничного слоя. Это соотношение кт ст формируется в результате перемешивания завесы с пристеночным слоем.

Закон изменения среднего соотношения компонентов вдоль КС имеет вид: для завесы из горючего:

K,JV = ,,„(!-£)+*,„о£/М'+*-oX«-/«J; <9)

для завесы из окислителя:

Закон изменения соотношения компонентов вдоль КС непосредственно возле стенки, определяющий конвективный теплообмен, имеет вид: для завесы из горючего:

*„_„ = *»o0Mi+*«OX™~MJ; (11)

для завесы из окислителя:

Здесь: кш0 - начальное соотношение компонентов в пристеночном слое; шст, т1т - относительные расходы в пристеночном слое и завесе соответственно;

= тше!тъ ' относительный расход на завесу, тъ - суммарный расход топлива через камеру сгорания; £, - коэффициент полноты турбулентного перемешивания £ = 1-ехр(- К -xl,„ '(ш./ш,)); хоты =х/Нсг— относительная осевая координата; ИСТ ~ толщина пристеночного слоя; к— коэффициент интенсивности турбулентности в пристеночном слое.

Для расчета тепловых потоков на нестационарном режиме Та„.(т) приближение для Гот, = const не может быть полностью применимо по следующей причине: граничные условия (температура стенки со стороны газа, скорость продуктов сгорания и др.) существенно меняются за достаточно короткий интервал времени, что существенно влияет на тепловой поток, поступающий в стенку.

Для расчета конвективного потока в начальный момент времени г = 0 при Таи, = Тшп используется уравнение для стационарной температуры, лучистый поток отсутствует. Для определения ^ (г*0) был введен экспоненциальный закон

изменения теплового потока по времени (13), где - конвективный тепловой поток в камеру сгорания, е^ - показатель термической инерции, дуст - установившийся тепловой поток в стенку, подсчитанный при наступлении стационарного теплового режима.

(г) = (<?« (О) - ) • ехр

Г | + <

s„

(13)

■эф у

Величина е^ характеризует «эффективный» темп или скорость теплообмена стенки камеры с продуктами сгорания, е^ определяется по результатам кратковременных пусков двигателя (/Е< 10 сек), а при их отсутствии по результатам итерационного расчета. Для г = о принимается:

_рёс, _ркр(тг-тж) (М)

£эф ~ ~ )

а3ф Яг

где т, определяется по термогазодинамическому расчету по соотношению компонентов возле стенки камеры; р,8,Ср - плотность, толщина и теплоемкость стенки камеры, а^ - эффективный коэффициент теплоотдачи, ц, - суммарный тепловой поток в стенку камеры.

Для определения температурного поля конструкции КС на нестационарном режиме решается двумерное уравнение нестационарной теплопроводности для полого цилиндра:

,8Т д (8 (\,„,а7Л 1(,,_,.д7Л

р(Г)С(Г)- = + . (15)

Дпя решения задач нестационарной теплопроводности использовался метод конечных разностей с поправкой на кривизну поверхности КС ЖРДМТ: учитывается переменная толщина стенки КС, которая характеризуется углом наклона расчетной линии в теле:

Разностный аналог уравнения (15) будет иметь вид:

(16)

1 cosfij I 1

_L(r _r ь

LJ,} p(T)-C(T)

'-> д_гг V--,.„ ■-,-,.,.«, ■ 4&z2 ^cos/?(<1. cos/?,_, J

(17)

Для решения нестационарной задачи теплопроводности модель формирует граничные условия на внешней и внутренней стенках КС, на торце головки, на торце сопла.

Сопловой торец рассматривается как термически изолированный. Торец камеры со стороны головки находится в состоянии теплообмена с головкой, теплообмен в этой области задается величиной термического сопротивления.

Модель позволяет рассчитывать нестационарное температурное поле для различной разреженности сетки конечных элементов. Это позволяет сокращать время расчета при сохранении точности вычислений.

Модель рассчитывает нестационарное температурное поле для различной продолжительности модельного эксперимента. А использование данных

кратковременного эксперимента повышает сходимости расчета с экспериментальными данными.

В экспериментально-теоретической модели используется алгоритм расчета удельного импульса для слоистого течения продуктов сгорания по местным соотношения компонентов топлива к^ в заданных площадках КС. В качестве слоев выбраны соответствующие зоны КС: ядро и пристеночный слой. Значения кш, могут быть получены из результатов гидравлических испытаний, тогда число слоев определяется в соответствии с экспериментальными данными. Для ядра соотношение компонентов кт яЛро не меняется вдоль камеры. Для пристеночного слоя кт меняется вдоль камеры согласно закону перемешивания завесы с пристеночным слоем.

В общем виде для монотонных профилей расчет/?, соотношениям:

р-\ттЫг

■I ат " -I I

Л* и проводятся по (18)

- М'{1г ,

„ КТ / О КТ 0 (*» + / 0 (кп, +

где г - радиус камеры, г- радиус текущей площадки, я- газовая постоянная, Т -температура.

В четвертой главе приведены результаты расчетов теплового состояния КС модельного двигателя с секционной камерой сгорания ЖРДМТ ДМТ МАИ-200-1С. В результате экспериментов в НИИХИММАШ на модельной камере (см. таблицу 1) были получены данные по основным рабочим параметрам КС и ее тепловому состоянию (см. рисунок 14).

т 0\ст Гит К щ \<ст 1к Р «х о Р вх. Г Р К 1Г."1 6.МЛ

№ эксперимента г*с-1 г*с-1 с ата ата ата М 'С

1 76.58849 31.35723 2.44245 3 18.0162 14.02381 6.835586 725.0631

2 75.5584 31.41275 2.405342 3 17.89778 14.0192 8.387097 897.7399

3 66.65949 32.29821 2.063876 5 15.38858 14.03297 8.116337 939.1089

4 58.67957 31.55199 1.859774 5 12.90254 12.94408 7.329122 930.0342

5 62.96078 31.32973 2.009618 3 13.96827 13.01208 7.472009 907.35

6 62.7043 31.36717 1.999042 10 13.99289 13.00887 7.506282 913.6344

7 62.84795 31.66422 1.984826 20 13.91859 13.06995 7.490061 907.4091

8 63.26731 26.42745 2.394 9 13.98225 13.08437 7.044115 899.2177

Рисунок 14 камеры по

. Температура стенки экспериментальным данным.

ХМ

По экспериментально-теоретической модели с использованием экспериментальных данных были рассчитаны:

• характеристики перемешивание пристеночного слоя с завесой;

• распределение лучистого потока вдоль камеры;

• распределение конвективного потока по времени вдоль камеры;

• сумма конвективной и лучистой составляющей потерь тепла от внешней поверхности КС по условиям эксперимента;

• установившиеся температуры поверхностей стенки КС; нестационарное тепловое поле по численному решению (см. рисунок 15).

т[К]

хм

Рисунок 15. Результаты расчета температуры внешней поверхности стенки секционной КС по времени в сравнении с экспериментальными данными.

Результаты расчета теплового состояния секционной КС удовлетворительно совпадают с результатами экспериментов. Результаты моделирования теплового состояния КС двигателя ДМТ МАИ-200-1С позволили отработать и верифицировать экспериментально-теоретическую модель теплового состояния КС ЖРДМТ для дальнейшего ее применения при моделировании натурных двигателей.

В пятой главе приведены результаты расчетов теплового состояния КС двигателя ЖРДМТ ДМТ МАИ-200.

В НИИХИММАШ были проведены огневые испытания двигателя. Отрабатывались запуск двигателя на коротких пусках в вакуумной камере и его работоспособность и тепловое состояние на продолжительных пусках. Большая часть экспериментов проводились на двигателе с укороченным соплом.

В результате экспериментов в НИИХИММАШ (см. таблицу 2) были получены данные по основным рабочим параметрам КС:

• расходы по горючему и окислителю ттгт, тпст,

• величина массового соотношения компонентов к,„,

• давление компонентов топлива на входе в двигатель Рт, РК,,

• установившееся давление в камере рк,

• характеристическая скорость руд.

• температуре внешней стенки камеры по времени Трх{х,т) (см. рисунок 16)

По экспериментально-теоретической модели с использованием экспериментальных данных были рассчитаны:

• характеристики перемешивание пристеночного слоя с завесой;

• распределение лучистого потока вдоль камеры;

• распределение конвективного потока по времени вдоль камеры (см. рисунок 17);

• сумма конвективной и лучистой составляющей потерь тепла от внешней поверхности КС по условиям эксперимента.

____Таблица 2. Данные выборочных экспериментов.

№ экспср П1 О уст. т Густ. К т уст. 1К Рвх.Г Рвх. О Р куст. теп Ь-, у.)

г*с-1 г*с-1 С ата ата ата г*с-1 м*с-1

1 49.535 26.622 1.8607 5 13.452 16.022 9.3514 76.157 1406

2 49.739 26.703 1.8626 10 13.509 16.16 9.4082 76.442 1409.2

3 48.516 27.236 1.7814 25 13.464 15.808 9.3028 75.752 1406.1

4 45.774 28.618 1.5995 50 13.396 15.783 9.0565 74.392 1393.9

Полученные данные были использованы для формирования граничных условий и численного решения нестационарной задачи теплопроводности.

Тир

ими

[ - с П ......".V С!.....~~ — -1 . »

л --------— - —

1

-и —1—1—

У[н) 02 <Ш

а. II"

0 к.

1 к) I

1 и;

¡! П?

1 ы 1 12 - ¡1

3 02 0.0- в.» О ОС 01 0112 8 1« 01« »1« 02

У1ж

1 I !

■ 1.1

:. г. •1

_ 4 | ■ ■ ' 1 -

— . —

Рисунок 16. Температура стенки камеры по экспериментальным данным

Рисунок 17. Расчетное распределение тепловых потоков по длине камеры по времени.

Используя уравнение теплового баланса, были определены установившиеся температуры внешней и внутренней стенки КС (см. рисунок 18).

Проведен расчет теплового состояния КС ЖРДМТ с учетом поправки на отсутствие конвекции от стенок камеры в условиях реального использования двигателя в космическом пространстве. Условия конвективного теплообмена на внешней поверхности слабо влияет на тепловое состояние камеры.

В главе представлен расчет нестационарного теплового состояния КС ЖРДМТ с выходом на стационарный тепловой режим (см. рисунок 19).

Результаты расчета теплового состояния КС удовлетворительно совпадают с результатами проведенных экспериментов (см. рисунок 20).

В шестой главе показано применение модели в целях повышения эффективности ЖРДМТ.

На примере объектового двигателя ДМТ МАИ-200 рассмотрены возможности модели по анализу теплового поля и энергетических характеристик в зависимости от параметров двигателя и используемого материала конструкции камеры и сопла.

В качестве основных путей повышения эффективности ЖРДМТ рассматриваются следующие возможности: 1. выбор оптимального расхода на завесу; 2. реорганизация схемы форсуночной головки; 3. использование жаропрочных материалов.

Т.1К) :

1 ' т

..........1........ —..... \ | гекки.

ч |

\ _ 1_____

> 1

!................................... 1 .........-.............. 1 ¿^{нль^.м^ы -;-1-

ад

0.10 12 I) 1С: ».И

о 1: о I

о к; с

си

0лГ>

о

Т. [К] 951) 550 7.50 650 550 450 ?50 ^0

Ист:

I .лссгкриыеш ^

О

14)

Рисунок 18. Расчетные установившиеся температуры стенки для камеры сгорания.

Рисунок 19. Изменение расчетной темперах внешней и внутренней поверхности стеш камеры сгорания в районе критического сеч с выходом на стационарный тепловой реиа сравнении с экспериментальными данным! температуре внешней поверхности.

Рисунок 20. Результаты расчета температуры внешней поверхности стенки КС по времени в сравнении с экспериментальными данными.

Результаты гидравлических испытаний на смесительной головке двигателя ДМТ МАИ-200 показали, что относительный расход на завесу составляет 15%, при этом на испытаниях температура стенки была ниже допустимой. Результаты моделирования (см. рисунки 21, 22) показывают, что температура стенки остается приемлемой при уменьшении относительного расхода на завесу до 8%. При этом прирос удельного импульса составляет до 200 м/сек.

Другим способом оптимизации является реорганизация схемы форсуночной головки. В качестве исследуемых были проанализированы 3 схемы форсуночной головки: однофорсуночная головка с центробежной форсункой; 7-ми форсуночная головка; 19-ти форсуночная головка.

Расчет показал (см. рисунок 23, 24), что выбранная схема организации смесеобразования (однофорсуночная головка) не является оптимальной. При увеличении числа форсунок, удельный импульс возрастает из-за распространения окислителя в пристеночный слой, перемешивания его с восстановительной завесой с более оптимальным соотношением компонентов, чем при малом количестве форсунок. С учетом технологических ограничений при изготовлении форсуночной головки с большим числом форсунок, оптимальной схемой смесеобразования является головка в 7-ю смесительными элементами. Прирост удельного импульса

(при использовании того же материала и сохранении неизменными параметров двигателя (рк, пи, кт)) составляет до 100 м/сек.

1 1 /

?< \г/

и ' . . _ - " "

а=0!>

0 V Л>? 01 01?

3500 3*0

а»

¡ГКО

ш

а-1

\ А, 1

/* / У

а- а ..... 2 Ч

; \

0,0> <).! 0.15 <1.2 0,25 0.3

Рисунок 21. Расчетная зависимость максимальной температуры газа со стороны стенки камеры в районе критического сечения от относительного расхода на завесу.

Рисунок 22. Расчетная зависимость удельного импульса камеры от относительного расхода на завесу.

Рисунок 23. Расчетная зависимость относительного расхода на завесу в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке.

) ■! ^

0.3

8.25 0.2 0,15 0.1 0.05 О

I • ф а р с у н о ч н ,чя г о л о ъ к. :я "Эксперимент

Тгаи-МООК

7-форс.у ночиад гоя&ЕК"!

8.4

С,о

1 ? ¡.с,кочна! .

голорка ------;--------------)------

0.7 0,5

[м-'сек] ф00СГН0ЧВ14

3100 - • -

Тг««-1430К

3000 2900 2600 2700 2600 2Ш

\ ГОЛОГУГ!

\ 7-форсуночнад

V \ ГЫТСЬКд

. . ♦ к \ . N

.. -<г / ♦ ; \ N /

/ у /

1 • фор суночн ЗД г отсека \

Эшир,««, \ -------1

0.4

О, о

0.Е

Рисунок 24. Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента

избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке.

Еще одним способом повышения удельного импульса ЖРДМТ является применение жаропрочных материалов. В качестве таких материалов применяют либо жаропрочные сплавы на основе ниобия, рения, платины, либо высокотемпературные композиционные материалы, например углекерамические материалы типа С/^С и БЮ/^'С. Конструкции из данных материалов с соответствующем покрытием с высокой окислительной стойкостью способны работать при высоких температурах в агрессивной среде ПС.

По модели был проведен анализ изменения удельного импульса объектового двигателя с номинальной однофорсуночной головкой для различной допустимой

17

температуры стенки КС в районе критического сечения (см. рисунок 25). Значение относительного расхода на завесу считается с учетом требования по допустимой

Рисунок 25. Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различной максимальной температуры стенки КС (для однофорсуночной головки).

Показано, что использование жаропрочных сплавов и материалов, с последующей оптимизацией рабочего процесса в камере двигателя, дает существенный прирост удельного импульса ЖРДМТ.

В качестве другого примера для анализа теплового поля конструкции и энергетических характеристик двигателя представлен разрабатываемый двигатель малой тяги ДМТ МАИ-500-ВПВК (компоненты - ВПВ+Керосин, тяга - 500 Н, рк= 10 атм, окислительная завеса, материал стенки - ХН60ВТ). Построен газодинамический профиль КС и сопла, получены значения расходов компонентов, а также следующие расчетные зависимости:

• максимальная температура газа со стороны стенки КС (см. рисунок 26) и ожидаемый удельный импульс двигателя (см. рисунок 27) от относительного расхода на завесу;

• температура внешней и внутренней поверхности стенки КС на стационарном режиме (при условии т„ = 20%, однофорсуночная головка) (см. рисунок 28);

• тепловой поток на стационарном режиме;

• зависимость удельного импульса двигателя от коэффициента избытка окислителя для различных схем форсуночной головки (см. рисунки 29, 30).

• зависимость удельного импульса камеры от принимаемой максимальной температуры конструкции (см. рисунок 31).

Были сделаны следующие выводы:

• Показатель избытка окислителя а следует выбирать исходя из рабочей температуры материала. Чем меньше рабочая температура материала стенки КС, тем больше окислителя уходит на завесу, следовательно, а возрастает.

• Схема организации смесеобразования с большим числом форсунок является предпочтительной. При малом числе форсунок, удельный импульс уменьшается из-за концентрации горючего в ядре потока, а значит, его недостатке в периферии, что ведет к снижению роли окислительного пристеночного слоя в удельном импульсе.

• Относительный расход на завесу, обеспечивающий приемлемый тепловой режим стенки при номинальном материале стенки камеры двигателя, должен составлять 15-20% от суммарного расхода.

18

температуре.

[м/сек] 3-100 ■

3200

3000

2500

2400

2400

2200

2000

0,4

.—-— ....... Т=2400К

„ - т=иоок

\ чч

1 \

т=ноок

но н 1

•=!200К а-1-1

0.«

0,8

• Существенного прироста удельного импульса позволит добиться использование в конструкции КС и сопла высокотемпературных материалов.

вд

2500 2300 2100 1900 1700 150U 1300 1100

V \ а-1

W а- о.г

V ч\><1

хх'< Г V 1

а-1 2 ........

.......

0

0.05

0,1

0.15

те ззоо з;оо 3IC0 мл

1 а=1

/ Ш

__________ *

» , \v

1

......

Рисунок 26. Расчетная зависимость максимальной температуры газа со стороны стенки камеры в районе критического сечения от относительного расхода на завесу.

Рисунок 27. Расчетная зависимость удельного импульса камеры от относительного расхода на завесу.

ПН 1530

1 ' 1 емпература внутренней зхности стенки камеры ■

\ HOBS

/ \ - III Температура внешней ~ рхности стенки камеры

пове

\

Профиль камеры

YH 03

ОХ

0,2

0,15

OJM

QQ5 0,1 0,15 С, 2 Q25 ОР 0,35 G.4 Х[м]

Рисунок 28. Расчетные установившиеся температуры

внешней и внутренней поверхностей стенки камеры.

««

0.45 -0.4 -0.35 -0,3 -о,;5 ■

о, - • 0.1.5

0.1 -

0,05 -

о

; |5;су:

. п

ItTA I Р Til

> I«*®]

да» -

27и0

Тгюл=1«м:

Рисунок 29. Расчетная зависимость относительного расхода на завесу в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке.

Рисунок 30. Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различного числа форсунок в смесительной головке.

Рисунок 31. Расчетная зависимость удельного импульса двигателя в зависимости от коэффициента избытка окислителя для различной максимальной температуры стенки КС.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана экспериментально-теоретическая модель теплового состояния КС двухкомпонентных ЖРДМТ, работающих на непрерывном режиме.

2. Разработана модельная КС двигателя ДМТ МАИ-200, проведены огневые испытания с целью отработки и верификации экспериментально-теоретической модели.

3. Проведены огневые испытания и моделирование теплового состояния КС двигателя ДМТ МАИ-200, работающего на компонентах АТ+НДМГ. Результаты моделирования показали хорошую сходимость с результатами экспериментов.

4. На основании разработанной модели проанализированы пути повышения удельного импульса двигателя ДМТ МАИ-200. Модель позволила выявить резерв по тепловому состоянию КС двигателя ДМТ МАИ-200 и выработать рекомендации по изменению конструкции КС и смесительной головки.

5. Проведено моделирование теплового состояния КС разрабатываемого двигателя ДМТ МАИ-500, работающего на компонентах ВПВ+керосин. Выбраны оптимальные рабочие и геометрические параметры двигателя, принята схема смесеобразования, рассчитан ожидаемый удельный импульс двигателя.

6. Результаты моделирования позволяют уменьшить количество огневых испытаний при отработке двигателя

Основное содержание диссертации отражено в следующих печатных работах:

1. Воробьев А.Г., Черваков В.В., Козлов A.A. Определение теплового состояния ЖРДМТ. // Тезисы докладов четвертого международного аэрокосмического конгресс IAC'03. Москва, 2003, - С. 282-283.

2. Vorobiev A.G., Kozlov A.A., Bazanova I.A., Borovik I.N.. Main lines of development of thrusters for reactive control systems of upper stage and spacecrafts. // International Symposium on Space Propulsion (ISSP), Beijing, P.R.Chine, 2007, -P. 177-190.

3. Воробьев А.Г. Математическая модель теплового состояния ЖРДМТ. // Вестник МАИ, Т. 14, №4, 2007, - С. 42-49.

[к/сж] 3600

U 1,3 а

4. Vorobiev A.G., Kozlov A.A., Bazanova I.A., Borovik I.N. Development of apogee engine with thrust 200N on propellant hydrogen peroxide with kerosene. // 5th International Spacecraft propulsion Conference Symposium on Space Propulsion, Heraklion, Greece, 2008, - P. 303-304.

5. Vorobiev A.G., Kozlov A.A, Borovik I.N. The project of the low-thrust engine for system of orbital manoeuvring a space vehicle on LEO and GTO, developed by criterion of the minimal specific cost. // 5th International Spacecraft propulsion Conference Symposium on Space Propulsion, Heraklion, Greece, 2008, - P. 625-626.