автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка унифицированных компактных пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов для жидкостных ракетных двигателей

На правах рукописи

КЛЮЕВА ОЛЬГА ГЕННАДЬЕВНА

РАЗРАБОТКА УНИФИЦИРОВАННЫХ КОМПАКТНЫХ ПЛАСТИНЧАТО-РЕБРИСТЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05 07 05 «Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

П

а

Химки - 2008

003445244

Работа выполнена в ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко» Научный руководитель

Профессор, доктор физико-математических наук

JIE Стернин

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Профессор, доктор технических наук ЭД Сергиевский

Кандидат технических наук В H Петров

Исследовательский Центр им MB Келдыша

Защита состоится «_»_2008 г в_часов на заседании диссертационного совета ОАО «НПО Энергомаш им академика ВП Глушко», по адресу 141401, Московская обл, г Химки- 1,ул Бурденко, д 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу 141401, Московская обл, г Химки-1, ул Бурденко, д 1, ОАО «НПО Энергомаш им академика В П Глушко», учёному секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан «/'<) » /У г'> 2008 г

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук / Г Л Лиознов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертации. Проблема разработки эффективного теплообменного аппарата (ТО) актуальна практически для любой сферы народного хозяйства Они широко применяются в энергетике, транспортной, химической и др отраслях промышленности и имеют разнообразные конструкции, зависящие от условий работы и предъявляемым к ним требованиям В каждой области разработчики преследуют свои цели и опираются на свои критерии Интенсивное развитие техники в настоящее время характеризуется увеличением мощности и коэффициента полезного действия установок, повышением температур и давлений применяемых теплоносителей, форсированием рабочего процесса и выдвижению современных требований к ТО Для решения новых задач необходимо создание усовершенствованных ТО, обеспечивающих оптимальное сочетание тепловой эффективности, технологичности, удобства эксплуатации и минимальной стоимости

Освоение космического пространства, коммерциализация космической деятельности, рост конкурентной борьбы среди стран, ведущих в ракетно-космической отрасли, и стран, развивающихся в этом направлении, ставят аналогичные задачи перед разработчиками ТО жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) ТО в составе ЖРД предназначен для нагрева газа (гелия, азота, кислорода и др), который поступает в бак окислителя или бак горючего ракеты-носителя (РН) и создает в них необходимое значение давления (наддув баков) и обеспечивает бескавитационную работу бустерных насосных агрегатов Основными требованиями, предъявляемыми к ТО ЖРД являются

обеспечение заданных выходных параметров теплоносителей, работоспособность при высоких давлениях (более 300 кгс/см2) и температурах (500°С), в широком диапазоне изменения температур (от минус 200°С до плюс 500°С),

гарантия прочности и надежности конструкции при статических и динамических нагрузках,

стойкость к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе, технологичность в изготовлении, минимальные габаритно-массовые характеристики, оптимальная стоимость Применяемые в настоящее время на двигателях РД107 и РДЮ8, РД111 и РД119 кожухотрубчатые ТО и на двигателях РД120, РД171, РД170 и РД180 цилиндрические ТО, несмотря на успешную многолетнюю эксплуатацию, обладают рядом недостатков

Цель и задачи работы Целью диссертации является разработка компактного агрегата наддува (АН) современного перспективного двигателя РД191, предназначенного для наддува бака окислителя и бака горючего РН «Ангара» Дня достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1 Проведение анализа ТО, применяемых в ЖРД, и обоснование актуальности разработки АН другого типа конструкции

2 Выбор типа конструкции и проектирование АН

3 Проведение расчетов гидравлических потерь трактов, теплопередачи теплоносителей и прочности конструкции АН

4 Создание и экспериментальное исследование АН для подтверждения обеспечения предъявляемых к нему требований

5 Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчётными значениями

6 Разработка унифицированного ТО ЖРД, включающее оптимизацию геометрических характеристик стенок трактов теплоносителей, проектирование усовершенствованного АН двигателя РД191 и пластинчато-ребристых ТО двигателей РД171М и РД180

7 Анализ современного способа интенсификации теплообмена путём нанесения луночного рельефа и оценка его применения на дне каналов оптимизированных стенок

8 Оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД

Научная новизна диссертации заключается в том, что создана методика разработки ТО, принципиально нового для ЖРД пластинчато-ребристого типа конструкции, основанная на сборе, анализе, обобщении и систематизации знаний, внедрении совершенно новых и использованию принятых на предприятии подходов проектирования, проведения расчётов, создания и экспериментальной проверки Она включает следующие этапы

— постановка цели,

— анализ существующих ТО, применяемых в ЖРД,

— идея модернизации,

— проектирование, включающее обоснование выбора типа конструкции,

— создание методик и проведение многопараметрических расчётов гидравлических потерь трактов и теплопередачи теплоносителей, отражающих особенности конструкции агрегата,

— сравнение расчётных и требуемых значений параметров теплоносителей,

— оптимизация конструкции,

— оценка эффективности с точки зрения величин габаритно-массовых характеристик, технологичности и экономичности изготовления;

— проведение мероприятий по повышению эффективности агрегата,

— создание технологии и изготовление,

— экспериментальная проверка,

— сравнение результатов испытаний с предъявляемыми требованиями,

— усовершенствование теплообменного аппарата,

— оценка эффективности,

— внедрение в ЖРД

В процессе данной работы спроектирован, рассчитан и изготовлен АН пластинчато-ребристого типа конструкции, ранее не применяемого в ракетном двигателе-

строении Проведена экспериментальная проверка АН, подтверждающая его прочность, герметичность, работоспособность, надёжность и обеспечение заданных выходных значений основных параметров теплоносителей АН внедрен и успешно эксплуатируется в составе двигателя РД191 РН «Ангара»

Кроме того, выполнено исследование с помощью компьютерного моделирования распределений теплоносителей в каналах стенок и оптимизированы геометрические характеристики стенок АН Спроектирована усовершенствованная конструкция АН двигателя РД191, главной особенностью которой является её универсальность, позволяющая создавать ТО для любого ЖРД с другими техническими параметрами В зависимости от требований технического задания (ТЗ), они будут отличаться друг от друга лишь количеством стенок, высотой корпуса и объёмом коллекторов Спроектированы унифицированные пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180

Также, проведен анализ последних достижений в области интенсификации теплообмена современного способа путём нанесения луночных рельефов на плоскости и в каналах Даны рекомендации и проведена оценка использования четырёх самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия Таким образом, сформулирована и достигнута цель по разработке компактного ТО ЖРД, который внедрен в практику, что способствует дальнейшему развитию науки и техники ракетно-космического направления

Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительной согласованностью проектных, расчётных и экспериментальных данных, использованием при составлении методик расчетов фундаментальных уравнений гидромеханики и теплопередачи, применением основных методов численного моделирования с помощью компьютерных программ NASTRAN, Flow Vision, многоблочных вычислительных технологий (МВТ) и пакетов VP2/3, FLUENT, комплексом успешных испытаний и высокой степенью надежности системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации

Научная и практическая значимость диссертант состоит в том, что разработан и успешно используется пластинчато-ребристый АН двигателя РД191, который по сравнению с кожухотрубчатыми и цилиндрическими ТО, применяемыми в ЖРД, является самым компактным, легким, технологичным, экономичным и обладает рядом др преимуществ Благодаря оптимизации поверхностей теплообмена стенок трактов теплоносителей АН появилась возможность на их основе разрабатывать унифицированные пластинчато-ребристые ТО для применяемых в настоящее время и новых ЖРД, сократить время на их создание и доводку и затраты на изготовление Спроектированы усовершенствованный АН двигателя РД191 и пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180, которые имеют значительные преимущества по сравнению с ТО, применяемыми в настоящее время в этих двигателях

Проведенный автором анализ показал, что использование способа интенсификации путём нанесения луночных рельефов является перспективным в ракетном двигателестроении, так как позволяет форсировать процесс теплопередачи и дополнительно уменьшить габаритно-массовые характеристики, трудоёмкость и

стоимость изготовления и повысить КПД теплопередачи ТО Рекомендуется нанести один из четырех самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия, что увеличит объём знаний о лунках и расширит область их применения Оценка эффективности пластинчато-ребристых ТО позволяет прогнозировать их внедрение в существующие и вновь создаваемые ЖРД Таким образом, проведено научное обоснование и экспериментальное подтверждение результатов диссертационной работы, где были применены различные средства совершенствования и оптимизации производственного процесса, трудовых и материальных ресурсов при создании ТО ЖРД

Реализация работы Работа выполнялась на протяжении последних восьми лет и будет продолжена в рамках программы создания современного двигателя РД191 РН «Ангара» Прогнозируется дальнейшее внедрение унифицированных пластинчато-ребристых ТО в двигатели РД171М и РД180

Личный вклад автора заключается в следующем

1 Создана методика разработки ТО для ЖРД

2 Проведён анализ ТО, применяемых в ЖРД

3 Сформулированы цели, задачи, основные этапы разработки АН двигателя РД191, предъявляемые к нему требования

4 Обоснован выбор пластинчато-ребристого типа конструкции и спроектирован АН

5 Для углубленного изучения конструкции и выбора оптимального варианта при её проектировании, используя опыт проведения расчётов на предприятии, автором рассчитаны гидравлические потери трактов и теплопередача теплоносителей АН

6 Для подтверждения правильности использованных методик расчёта проведена серия расчётов по экспериментальным данным, полученным на автономных огневых испытаниях и испытаниях АН в составе двигателей РД191 Рассчитаны выходные параметры азота при входных параметрах теплоносителей, реализованных на испытаниях При сравнении и анализе расчётных и экспериментальных значений получена удовлетворительная их согласованность

7 Для достижения максимальной равномерности распределения теплоносителей в каналах стенок АН, по результатам проведённой расчётной оценки, автором оптимизированы поверхности теплообмена стенок трактов теплоносителей

8 Спроектированы унифицированные пластинчато-ребристые АН двигателя РД191 и ТО двигателей РД171М и РД180 Рассчитаны гидравлические потери трактов и теплопередача теплоносителей этих ТО

9 Изучен и проанализирован новый способ интенсификации теплообмена путём нанесения луночных рельефов на плоскости и в каналах Проведена оценка использования четырёх самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия, разработаны рекомендации

10 Проведена оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД по пяти критериям унификации, габаритно-массовым характеристикам, технологичности, КПД теплопередачи и экономичности изготовления

Апробация диссертации Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, г Москва, 2006 г и конференции «Перспективные технологии в ракетно-космической промышленности», г Королёв, 2008 г Публикации.

Автором, по теме диссертации, опубликовано 7 научных работ

Структура и объем работы Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, шести глав, заключения и списка литературы Она содержит 167 страниц основного текста, 97 рисунков, 36 таблиц, список литературы, включающий 56 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит общую характеристику диссертационной работы Сформулированы цель и задачи, обоснована актуальность темы, научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов Отмечены направления реализации диссертации и личный вклад автора

В первой главе представлены требования, предъявляемые к разрабатываемому АН двигателя РД191, который должен состоять из двух ТО и осуществлять нагрев газообразного гелия для наддува бака окислителя (ТО-БО) и бака горючего (ТО-БГ) РН «Ангара» Рассмотрена схема системы наддува баков Приведены значения параметров теплоносителей, которые он должен обеспечивать при номинальном (100 %) режиме работы двигателя Перечислены основные этапы созданной автором методики разработки ТО для ЖРД

Проанализированы кожухотрубчатые ТО, применяемые в ЖРД и др отраслях промышленности Отмечены особенности их конструкций, преимущества и недостатки Подробно рассмотрен испаритель азота двигателей РД107 и РД108 (рис 1) Представлены параметры теплоносителей при номинальном режиме работы двигателя РД107, схема системы наддува баков, схема движения теплоносителей в испарителе, технологические и габаритно-массовые характеристики Приведена наработка испарителя азота в составе двигателей, подтверждающая его работоспособность и надёжность

Кратко показаны конструкции ТО двигателя РД111 и испарителя кислорода двигателя РД119 С современной точки зрения, выявлены следующие недостатки кожухотрубчатых ТО, применяемых в ЖРД

- тип конструкции характеризуется низкой компактностью,

- трудно обеспечить их работоспособность при высоких давлениях и динамических нагрузках, характерных для современных двигателей,

имеют сложную технологию изготовления,

используемые материалы не обладают стойкостью к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе.

Рис. 1. Испаритель азота двигателей РД107 и РД108: 1 - кожух; 2 - коллектор змеевиков; 3 - фланец подвода выхлопного газа; 4 - фланцы отвода выхлопного газа; 5 - штуцер подвода жидкого азота; 6 - штуцер отвода газообразного азота

Рассмотрены цилиндрические (типа «труба в трубе») ТО двигателя РД120 и ТО двигателей РД171, РД170 и РД180 (рис. 2).

Рис. 2. Теплообменный аппарат двигателя РД180: 1 - корпус; 2 - штуцер подвода гелия; 3 - штуцер отвода гелия

Отмечено использование цилиндрических ТО в др. отраслях промышленности. их преимущества и недостатки. Подробно описаны их конструкции, представлены параметры теплоносителей при номинальных режимах работы двигателей, схемы систем наддува баков, схемы движения теплоносителей в ТО, технологические и габаритно-массовые характеристики. Приведены наработки ТО в со-

ставе двигателей, подтверждающие их работоспособность и надёжность. Выявлены следующие недостатки цилиндрических ТО ЖРД:

тип конструкции предусматривает наличие объёма в центральной части ТО, не участвующего в теплообмене и увеличивающего его габаритно-массовые характеристики, которые затрудняют установку ТО в двигателе; имеют сложную технологию изготовления;

- выполняются из большого количества разных материалов.

В результате обзора и анализа существующих ТО ЖРД, доказана необходимость выбора другого типа конструкции для разработки АН двигателя РД191.

Во второй главе рассмотрены разные типы конструкций ТО, применяемых в др. отраслях промышленности и обоснован выбор пластинчато-ребристого типа конструкции, так как он:

обладает самой компактной формой поверхности теплообмена;

благодаря применению высокотемпературных припоев может применяться

для высокотемпературных установок;

- работоспособен при высоких давлениях и температурах, в широких диапазонах изменения температуры;

работоспособен при большой разнице температур между теплоносителями; выдерживает высокий уровень динамических нагрузок.

Автором диссертации впервые спроектирован пластинчато-ребристый АН двигателя РД191, в котором главным элементом, отвечающим за процесс теплопередачи, является пластина (стенка) (рис. 3).

Рис. 3. Стенки трактов теплоносителей агрегата наддува двигателя РД191: 1 - подводящие прорези; 2 - подводящиеотверстия; 3 - распределительные прорези; 4 - отводящие прорези; 5 - отводящие отверстия; 6 - перепускные отверстия; 7 - центральные каналы; 8 - периферийные каналы

6

а) тракта газогенераторного газа

б) тракта гелия

Дано описание АН, представляющего собой неразъёмную паяно-сварную конструкцию, включающую корпус и детали подвода и отвода теплоносителей (рис 4)

А-А

Огам 07вс$

л нзогежратормю гетя из ТО-БГ _ _

I

Рис 4 Пластинчато-ребристый агрегат наддува РД191 1-паяный пакет стенок, 2 - центральная втулка, 3 - коллектор подвода газогенераторного газа, 4 - коллекторотвода газогенераторного газа, 5,6 - штуцера подвода гелия, 7 - фланец подвода газогенераторного газа, 8 - нггуцер отвода газогенераторного газа, 9,10 - коллекторы отвода гелия, 11,12- штуцера отвода гелия, 13 - шайба, 14 - перепускное отверстие

Приведены схема движения теплоносителей в АН, его технологические и габаритно-массовые характеристики Для углубленного изучения конструкции и выбора оптимального варианта при её проектировании, используя опыт проведения расчётов на предприятии, автором рассчитаны гидравлические потери трактов, теплопередача теплоносителей АН, результаты которых показали, что АН удовлетворяет требованиям технического задания (ТЗ) суммарный перепад давления ТО-БО 6,8 кгс/см2, суммарный перепад давления ТО-БГ 1,95 кгс/см2, температура гелия на выходе из ТО-БО 243°С, температура гелия на выходе из ТО-БГ 286°С

Представлены результаты расчёта прочности АН двигателя РД191, проведённого с помощью компьютерной программы ИАвТКАМ, показывающие, что напряжения и запасы прочности удовлетворяют требованиям, принятым в отрасли Отмечены особенности создания АН, где самым ответственным этапом является пайка корпуса (рис 5)

Рис. 5. Пластинчато-ребристый агрегат наддува двигателя РД191: 1 - корпус; 2 - втулка; 3 - фланец подвода газогенераторного газа; 4 - штуцер отвода газогенераторного газа; 5 - коллектор отвода газогенераторного газа; 6 - штуцер отвода гелия из ТО-БО; 7 - штуцер подвода гелия в ТО-БГ; 8 - штуцер отвода гелия из ТО-БГ; 9 - коллектор отвода гелия из ТО-БГ

В третьей главе перечислены все этапы испытаний АН двигателя РД191: приемо-сдаточные испытания для проверки прочности и герметичности и определения гидравлических характеристик трактов;

контрольно-выборочные испытания для подтверждения качественного изготовления паяных и сварных швов;

испытания на тряску, вибрацию и для определения амплитудно-частотных характеристик АН для доказательства работоспособности и надёжности при динамических нагрузках;

автономные огневые испытания для подтверждения работоспособности в высокотемпературном окислительном газе;

испытания в составе двигателей РД191 для подтверждения обеспечения заданных ТЗ выходных значений параметров теплоносителей (рис. 6).

Агрегат наддува

Рис. 6. Пластинчато-ребристый агрегат наддува в двигателе РД191

Рассмотрены схемы установок испытаний, кратко изложены принципы работы Отмечено, что АН успешно прошел все испытания

Для подтверждения правильности используемых методик расчётов гидравлических потерь трактов и теплопередачи теплоносителей АН, автором проведены обработка экпериментальных данных, реализованных на 20-ти автономных огневых испытаниях и 20-ти испытаниях в составе доводочных двигателей РД191 и сравнение их с расчётными значениями (рис 7,8)

1,5 S 1,1

* ' ¡1,05

и Г

Hi

i I Г"

I Б М

б *0,«5

§ г1,15

I S 1.1

)j к 51,05

II «'

$ f ¡0,85

ill ад

1 §0,85

ОЙ

5 10

УсЛПМ HjH'lHOWpM

гоноамого иогытения

5 10 15 20

Условный номер испытания в дтгателе

■ Перепад давления а Нагрев азота

а) автономные огневые испытания

■ Пврвпадцавлвния А Нагрввизотя

б) испытания в составе доводочных РД191

Рис 7 Сравнение расчётныхиэкспериментальныхзначений тракта гелия ТО-БО агрегата наддува

Отношение расчетного знамения к эксперт« витальному СО СП <в S ^ S (К

1,1,05 Ё 4 .

I '

J0,»5 ■

Ь 0'в я 0,85 •

5 ю

Уолошшй номерам

5 10 15 20

Увловаий номер иепытаниявдаи-агеле

■ Перепад давления а Нагрев азота а Перепад давления а Нагрев азота

а) автономные огневые испытания б) испытания в составе доводочных РД191 Рис 8 Сравнение расчётныхиэкспериментальныхзначений тракта гелия ТО-БГ агрегата наддува

Были взяты входные параметры теплоносителей, полученные на испытаниях, и рассчитаны перепады давления всех трактов АН и выходные температуры азота из трактов гелия ТО-БО и ТО-БГ Получено, что расчётные значения параметров отличаются от экспериментальных не более, чем на 15% и находятся в допустимых пределах, что подтверждает правильность используемых методик расчётов

По принятым на предприятии методикам автором проведено приведение экспериментальных данных полученных на модельном теплоносителе (азоте) к номинальным параметрам штатного теплоносителя (гелия)

В четвёртой главе представлены результаты расчётной оценки распределения теплоносителей в каналах стенок АН двигателя РД191, проведённого с помощью компьютерной программы Flow Vision Получено, что теплоносители распре-

деляются в каналах неравномерно, двигаются с различной скоростью и обнаружены участки застоя теплоносителей увеличивающие необходимую площадь поверхности теплообмена. В качестве примера на рис. 9 представлены результаты расчёта стенки тракта гелия.

Качал № 22 Канал № 16

а) поверхность теплообмена

б) поле скоростей

100 75 50 25

о

х о.

£ о "25

® ü

§ u -50 I -75 О -100

-«-в сечении А-Б Номер канала в сечении Б-В

в) отклонение скорости в канале от средней скорости в сечении

о ч ей

v °

s Й 40

S <°

® о- 0

о 2

5 « "40 х

5 -80 « -120

-«-всечении А-Б Номер канала --»'- в сечении Б-В

г) отклонение расхода в канале сгг среднего расхода в сечении

Рис. 9. Результаты расчёта стенки тракта гелия агрегата наддува

Несмотря на то, что пластинчато-ребристый АН обеспечивает необходимые значения параметров теплоносителей, без замечаний прошёл испытания и успешно эксплуатируется в двигателе РД191, автором обоснована необходимость усовершенствования его конструкции, так как он имеет: - большое количество паяных и сварных швов;

сложные фигурные формы коллекторов подвода и отвода теплоносителей и выфрезеровок на крышках;

неравномерное распределение теплоносителей в каналах стенок трактов теплоносителей.

Для достижения максимально равномерного распределения теплоносителей в каналах стенок АН, автором проведена оптимизация поверхностей теплообмена стенок, включающая проектирование и расчёт В результате они упростились за счёт удаления кольцевых паяных буртов, групп подводящих, перепускных и отводящих отверстий и групп распределительных прорезей и представляют собой кольцевые каналы и группы подводящих и отводящих прорезей

Проведён расчёт для стенок прямыми, дополнительными и криволинейными прорезями и получено, что ни изменение формы прорезей, ни введение дополнительных прорезей не обеспечивает равномерного распределения теплоносителя Автором разработаны стенки, в которых каждая прорезь обеспечивает индивидуальный подвод или отвод теплоносителя к определённому числу каналов Расчёт показал, что данная конструкция обеспечивает максимальную равномерность распределения теплоносителей в каналах (рис 10,11)

На базе оптимизированных стенок автором спроектирован усовершенствованный АН двигателя РД191 (рис 12) Дано описание АН, представляющего собой неразъемную паяно-сварную конструкцию, включающую корпус и детали подвода и отвода теплоносителей Приведены схема движения теплоносителей, технологические и габаритно-массовые характеристики АН Проведены расчёты гидравлических потерь и теплопередачи усовершенствованного АН и получено, что он удовлетворяет требованиям ТЗ

суммарный перепад давления ТО-БО 5,05 кгс/см2, - суммарный перепад давления ТО-БГ 4,5 кгс/см2, температура гелия на выходе из ТО-БО 264°С, температура гелия на выходе из ТО-БГ 273°С Основным преимуществом конструкции усовершенствованного АН является её унификация, заключающаяся в том, что при изменении требований ТЗ, легко изменяется необходимая площадь теплообмена путём увеличения или уменьшения количества стенок и высоты корпуса Это стало возможным благодаря оптимизации стенок и выполнению коллекторов трактов гелия в цилиндре, а коллекторов тракта газогенераторного газа во втулке, что позволяет изменять их объём автоматически с увеличением высоты корпуса

Для подтверждения унификации АН, на основе оптимизированных стенок, автором спроектированы пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180 (рис 13) Представлены описания конструкций, схемы течения теплоносителей, технологические и габаритно-массовые характеристики ТО Проведены расчёты гидравлических потерь и теплопередачи ТО и получено, что они удовлетворяют требованиям ТЗ Пластинчато-ребристый ТО двигателя РД171М обеспечивает суммарный перепад давления тракта гелия 2,23 кгс/см2 и температуру гелия на выходе 283°С Пластинчато-ребристый ТО двигателя РД180 обеспечивает суммарный перепад давления тракта гелия 1,97 кгс/см2 и температуру гелия на выходе 167°С

а) стенки тракта гелия б) стенка тракта газогенераторного газа

Рис. 10. Поверхности теплообмена: 1 - подводящие прорези; 2 - кольцевые каналы; 3 - отводящие прорези; 4 - перегородка

ж

т

т

: Ж6 228 МО

Ю

Ш 76

21

м/сек

и>, м/сек

Рис. 11. Результаты расчётов оптимизированных стенок агрегата наддува

а) поле скоростей

Номер канала Номер канала

— в сечениях А-Б, Б-В — в сечениях А-Б, Б-В

б) отклонение расхода в канале от среднего расхода в сечении

А-А

газогенераторного газа |

Рис. 12. Усовершенствованный агрегат наддува РД191: 1 -паяный пакет стенок; 2-втулка; 3 - коллектор тракта гелия ТО-БГ; 4 - коллектор тракта гелия ТО-БО; 5 - коллектор подвода гелия в ТО-БО (коллектор в ТО-БГ выполняется аналогично в другом сечении);

6 - коллектор отвода гелия из ТО-БО (коллектор в ТО-БГ выполняется аналогично в другом сечении); 7 - фланец; 8, 9, 10, 11, 12 - штуцера; 13,14- коллекторытракга газогенераторного газа; 15 - коллектор подвода газогенераторного газа; 16 - коллектор отвода газогенераторного газа; 17 - шайба

Отмечено преимущество пластинчато-ребристых ТО, заключающееся в том, что они более технологичны и обладают меньшими габаритно-массовыми характеристиками по сравнению с цилиндрическими ТО, применяемыми в ЖРД.

Представлены преимущества усовершенствованного АН по сравнению с АН, применяемым в двигателе РД191:

имеет стенки и крышки с более равномерными распределениями теплоносителей в каналах;

в пакете стенок реализуется более эффективное (по сравнению с комбинированным) противоточное течение теплоносителей;

- упростились конструкции стенок, крышек, коллекторов подвода и отвода теплоносителей;

- включает меньшее количество деталей, сварных и паяных швов; подтверждена унификация его конструкции.

А-А

Отвод

газогенераторного

а) двигателя РД171М

А-А

Отвод

| газогенераторного

б) двигателя РД180

Рис 13 Пластинчато-ребристые теплообменные аппараты 1-паяный пакет стенок, 2 - втулка, 3 - коллектор тракта гелия, 4 - коллектор подвода тракта гелия, 5 - коллектор отвода тракта гелия, 6 - фланец, 7, 8,9 - штуцера, 10,11- коллекторы тракта газогенераторного газа, 12 - коллектор подвода газогенераторного газа, 13 - коллектор отвода газогенераторного газа, 14 - шайба

В пятой главе представлен анализ результатов численного моделирования механизма смерчевой интенсификации теплообмена, проведённого с помощью многоблочных вычислительных технологий и пакетов VP/3 и FLUENT группой под руководством академика А.И. Леонтьева (г. Москва). Это современный способ интенсификации теплообмена путём нанесения луночных рельефов, который в течение двух последних десятилетий считается перспективным из-за опережающего роста коэффициента теплоотдачи по сравнению гидравлическими потерями. Кратко изложены результаты расчётов при турбулентном обтекании теплоносителя рельефов сферических и траншейных лунок различной глубины и расположения на плоскости и в канале. Приведены картины растекания теплоносителя с нанесённым полем давления, поле относительных чисел Нуссельта и сравнение коэффициентов теплоотдачи, гидравлических потерь и теплогидравличе-ской эффективности. Отмечено, что самым эффективным рельефом является пакет, состоящий из 5-ти рядов траншейных лунок с зигзагообразным расположением (рис. 14).

р: -0.1 -0.06 О 0.05 0.1 0.16 0.2 0.26 0.3 0.35

а) картина растекания теплоносителя с нанесённым полем гтяштения

Nu/Num

б) картина растекания теплоносителя с нанесённым полем относительных чисел Нуссельта Рис. 14. Пакет, состоящий из 5-ти рядов траншейных лунок с зигзагообразным расположением

Коэффициент теплоотдачи этого рельефа равен A'u/jVum=2,17, гидравлические потери и теплогидравлическая эффективность (Nu/Nu03.

Вторым по эффективности является ряд траншейных параллельных лунок глубиной 0,2 мм (Mi/jV«M=l,95, ^£„=1,66, (Ии/тгл)/(^^п)=\,т (рис. 15а). Менее эффективными рельефами являются ряд траншейных поперечных лунок глубиной

0,2 мм (ЛМУим=1,79, ^£,=1,53, (Ыи/Ш^/^^ 1,17) (рис. 156) и ряд траншейных параллельных лунок глубиной 0,1 мм (Р?и/Миг1г 1,4, ^„=1,12, (ММи!Я)/(УЫ=1Д5)(рис. 15в).

а) траншейные параллель- б) траншейные поперечные в) траншейные параллельные лунки глубиной 0,2 мм лунки глубиной 0,2 мм ные лунки глубиной 0,1 мм

Рис. 15. Картина растекания с нанесённым полем относительных чисел Нуссеяьта

Далее автором проведена оценка применения этих луночных рельефов на дне каналов оптимизированных стенок тракта гелия и получено, что применение любого из них уменьшит высоту корпуса усовершенствованного АН РД191 на 2 стенки, а пластинчато-ребристого ТО РД180 на 4 стенки. Использование ряда параллельных траншейных лунок уменьшит высоту корпуса пластинчато-ребристого ТО РД171М на 12 стенок, других вариантов луночных рельефов - на 16 стенок. Суммарные перепады давления трактов гелия не выходят за допустимые пределы.

Наименьший нагрев гелия в усовершенствованном АН РД191 (ТО-БО 241°С, ТО-БГ 308°С) реализуется при использовании ряда параллельных траншейных лунок глубиной 0,1 мм, максимальный нагрев гелия (ТО-БО 266°С, ТО-БГ 32б°С) осуществляется при выполнении многорядного пакета зигзагообразных траншейных лунок глубиной 0,2 мм. Наименьший нагрев гелия пластинчато-ребристого ТО РД180 (168°С) реализуется при использовании ряда параллельных траншейных лунок глубиной 0,1 мм, максимальный нагрев гелия (191°С) осуществляется при выполнении многорядного пакета зигзагообразных траншейных лунок глубиной 0,2 мм. Наименьший нагрев гелия пластинчато-ребристого ТО РД171М (273°С) реализуется при использовании ряда поперечных траншейных лунок глубиной 0,2 мм, максимальный нагрев гелия (282°С) осуществляется при выполнении многорядного пакета зигзагообразных траншейных лунок глубиной 0,2 мм.

Автором рекомендовано наносить на дне каналов оптимизированных стенок многорядный пакет траншейных зигзагообразных лунок глубиной 0,2 мм или ряд траншейных параллельных лунок глубиной 0,2 мм.

В шестой главе автором проведена оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД по следующим критериям: унификация конструкции; габаритно-массовые характеристики; технологичность; КПД теплопередачи и экономичность изготовления.

Отмечено, что разработка унифицированного пластинчато-ребристого ТО ЖРД стала возможной благодаря проведению ряда исследовательских работ и расчётных оценок, приведших к оптимизации стенок. Получено, что путём изменения количества стенок для обеспечения необходимой площади теплообмена, высоты корпуса и соответственно объёма коллекторов подвода и отвода теплоносителей, можно создавать пластинчато-ребристые ТО для применяемых в настоящее время двигателей (РД191, РД171М и РД180 и др.) или вновь разрабатываемых ЖРД. Отмечено, что эта конструкция имеет ресурс интенсификации теплообмена, так как предложены 4 варианта эффективных луночных рельефа, нанесение которых позволит активизировать процесс теплообмена и сократить количество стенок, что приведёт к уменьшению габаритно-массовых характеристик, трудоёмкости, цикла и стоимости изготовления ТО.

Проведено сравнение габаритно-массовых характеристик корпусов применяемых в ЖРД и разработанных пластинчато-ребристых ТО (рис. 16). Установлено, что минимальными габаритно-массовыми характеристиками обладает усовершенствованный АНРД191 с нанесённым луночным рельефом.

О 50 100 150 200 250 300 Высота корпуса, мм

0 100 200 300 400 500 Диаметр корпуса, мм

20 40

60 80 Масса, кг

□ Кожухотру6чатыйиспарительазо-гаРД107иРД108 О Цилиндрический ТОРД120

□ Цилиндрический ТО РД171, РД170и РД180

□ Пласшнчато-ребристыйТОРД171М

О Пластинчато-ребристыйТО РД171Мслунка1лл

□ Пластинчато-ребристыйТО РД180

□ Пластинчато-ребристый ТО РД180 слунками

□ Пластинчато-ребристыйАНРД191

□ Усовершенствованный АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191 с лунками

Рис. 16. Сравнение габаритно-массовых характеристик теплообменных аппаратов ЖРД

Технологичность изготовления ТО оценивалась по трём показателям: количеству деталей, сварных швов и паяных швов (рис. 17). Установлено, что наибольшее количество деталей 47 шт. имеет кожухотрубчатый испаритель азота

РД107 и РД108, а наименьшее 18 шт. - цилиндрический ТО РД120. Применение лунок уменьшает количество деталей для усовершенствованного АН РД191 и пластинчато-ребристых ТО РД171М и РД180.

По количеству сварных швов 19 шт. превосходит цилиндрический ТО РД171, РД170 и РД180, всего 3 шва у кожухотрубчатого испарителя азота РД107 и РД108.

Максимальное количество паяных швов 323 шт. наблюдается у цилиндрического ТО РД171, РД170 и РД180, а минимальное 26 шт. в усовершенствованном АН РД191. Следует отметить, что он имеет преимущества по сравнению с применяемым АН в двигателе РД191 по всем критериям, особенно по количеству паяных швов (26 шт. вместо 245 шт.). Пластинчато-ребристые ТО РД171М и РД180 имеют преимущества по сравнению с применяемыми ТО по количеству сварных швов (8 шт. вместо 19 шт.) и паяных швов (70 шт. вместо 323 шт.) и (46 шт. вместо 323 шт.) соответственно.

Л 1 1 1 1

47 1)

18 и-! 1

32 0-

44 1)

?я

35

16 гГ Зи

;

1» 1)'

10 20 30 40 60 Количество деталей, шт.

4 8 12 16 Количество сварных швов, шт.

/ | |

206 1

....... 323 1)

0 50 100 150 200 250 300

Количество паяных швов, шт.

а КожухотрубчатыйиспарительазотаРД107ИРД108

□ ЦилиндрическийТОРДШ

□ ЦилиндрическийТОРД171,РД170и РД180

□ Пластинчато-ребристъйТОРД171М

а Пластинчато-ребристыйТОРД171Мслункаьи

Р Пластинчато-ребристый ТО РД180

□ Пластинчато-ребристый ТО РД180 с лунками

□ Пластинчато-ребристый АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191 с лунками

Рис. 17. Сравнение технологичности теплообменных аппаратов ЖРД

Рассчитан КПД теплопередачи ТО ЖРД, который выражает соотношение между фактическим переданным количеством тепла и тем максимально возможным количеством тепла, которое может быть передано только в идеальном проти-воточном ТО с бесконечно большой поверхностью теплопередачи.

Получено, что самый большой КПД имеет усовершенствованный пластинчато-ребристый АНРД191 (рис. 18).

□ Цилиндрический ТО РД180

□ Пластинчато-ребристый ТО РД180

□ Пластинчато-ребристый ТО РД180 с лунками

□ Пластинчато-ребристый АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191 с лунками

КПД теплопередачи

Рис. 18. Коэффициент полезного действия теплопередачи теплообменных аппаратов ЖРД

Оценка экономичности показала, что стоимость изготовления усовершенст-вованого АН будет на 17% ниже стоимости изготовления применяемого АН в двигателе РД191, а при нанесении луночного рельефа в каналах стенок тракта гелия - на 20% (рис. 19). Стоимость изготовления пластинчато-ребристого ТО РД180 ниже стоимости изготовления применяемого цилиндрического ТО на 16%, а при нанесении луночного рельефа - на 19%. Стоимость изготовления пластинчато-ребристого ТО РД171М ниже стоимости изготовления применяемого цилиндрического ТО на 5%, а при нанесении луночного рельефа - на 23%.

I I Г

□ Цилиндрический ТО РД 171, 170 и РД180

□ Пластинчато-ребристый ТО РД171М

□ Пластинчато-ребристый ТО РД171М с лунками

о Пластинчато-ребристый ТО РД180

□ Пластинчато-ребристый ТО РД180 с лунками

□ Пластинчато-ребристый АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191

□ Усовершенствованный АН РД191 с лунками

2,188

2.074

1,889 I

1,837

1.777 1,788 I 1,484 |

1.426 |

ТТ"

О 0,5

1 1,5 2 2,5 Стоимость изготовления, млн. руб.

Рис. 19. Сравнение стоимости изготовления теплообменных аппаратов ЖРД

Таким образом, внедрение пластинчато-ребристых ТО в ЖРД является эффективным по всем рассмотренным критериям, расширяет возможности разработчиков ТО и рекомендовано для дальнейшего успешного развития ракетного двигателестроения.

Заключение

1. Автором создана методика разработки ТО ЖРД.

2. Сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить при разработке АН современного перспективного двигателя РД191 РН «Ангара».

Проведён сравнительный анализ кожухотрубчатых ТО двигателей РД107 и РД108, РД111 и РД119 и цилиндрических ТО двигателей РД120, РД171, РД170 и РД180 по основным критериям двигателестроения Рассмотрены конструктивные особенности ТО, отмечены их преимущества и недостатки В результате анализа выявлена необходимость выбора другого типа конструкции ТО, ранее не применяемого в ракетном двигателестроении Обоснован выбор пластинчато-ребристого типа конструкции ТО, отличающегося самой компактной формой поверхности теплообмена и обладающего рядом преимуществ по сравнению с применяемыми типами конструкций Спроектирован АН двигателя РД191, включающий два ТО (для наддува бака окислителя и для наддува бака горючего) Созданы методики и проведены многопараметрические расчеты гидравлических потерь трактов, теплопередачи теплоносителей и прочности конструкции АН, результаты которых показали, что он обеспечивает заданные выходные значения основных параметров теплоносителей и обладает достаточной прочностью

Экспериментально подтверждены прочность и герметичность АН двигателя РД191, его работоспособность при высоких давлениях и температурах, в широком диапазоне изменения температуры, в условиях статических и динамических нагрузок и стойкость к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе Экспериментально доказаны работоспособность и надёжность АН в составе двигателей РД191 и получены заданные выходные значения основных параметров теплоносителей Получена удовлетворительная согласованность расчётных и экспериментальных величин

В результате оптимизации разработаны конструкции стенок трактов теплоносителей АН, в которых реализуются максимально равномерные распределения теплоносителей в каналах

На базе оптимизированных стенок, автором спроектирована усовершенствованная конструкция АН двигателя РД191 и подтверждена её унификация путём проектирования пластинчато-ребристых ТО двигателей РД171М и РД180 Расчёты гидравлических потерь трактов и теплопередачи показали, что усовершенствованный АН и пластинчато-ребристые ТО удовлетворяют требованиям ТЗ

Проведен анализ современного способа интенсификации теплообмена, характеризующийся опережающим ростом теплоотдачи по сравнению с гидравлическими потерями, заключающийся в нанесении на поверхности или в канале луночного рельефа, состоящего из сферических или траншейных лунок различной глубины и расположения Автором проведено численное исследование влияния различных луночных рельефов на эффективность ТО и даны рекомендации их использования в каналах оптимизированных стенок тракта гелия

В результате проведённых работ спроектирован, создан, экспериментально проверен, внедрен и успешно эксплуатируется пластинчато-ребристый

АН в составе современного перспективного двигателя РД191 РН «Ангара» Автором проведена оценка эффективности внедрения унифицированных пластинчато-ребристых ТО, позволяющая прогнозировать их применение в существующих и вновь создаваемых ЖРД

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1 Громыко БМ, Григоркин НМ, Клюева ОГ, Полианчик КД Черкасов JIB Пластинчатые теплообменники // «Конверсия в машиностроении» Изд «Информконверсия», 2006, №1(74), С 32-37

2 Бедов ЮА, Белов ЕА , Богушев В Ю, Клюева О Г, Тарасов В В Создание усовершенствованного пластинчатого агрегата наддува // Труды НПО Энергомаш, М 2004, № 22, С 132-146

3 Громыко БМ, Клюева О Г Совершенствование теплообменников для наддува баков ракеты-носителя Часть 1 Кожухотрубчатый испаритель азота двигателя РД107 // Труды НПО Энергомаш, М 2006, № 24, С 246-255

4 Клюева О Г Совершенствование теплообменников для наддува баков ракеты-носителя Часть 2 Цилиндрический теплообменник двигателя РД171//Труды НПО Энергомаш, М 2006, №24, С 256-271

5 Баранов ПА, Исаев С А, Клюева О Г, Стернин JIE Численное моделирование интенсификации теплообмена в трактах двигательных установок при нанесении на стенки одного продольного ряда сферических и траншейных лунок // Труды Четвёртой Российской национальной конференции по теплообмену Т 6 Дисперсные потоки и пористые среды Интенсификация теплообмена М Издательский дом МЭИ, 2006, С 162-165

6 Клюева О Г Совершенствование теплообменников для наддува баков ракеты-носителя Часть 3 Пластинчато-ребристый агрегат наддува однокамерного двигателя // Труды НПО Энергомаш, М 2007, № 25, С 269-285

7 Клюева О Г Совершенствование теплообменников для над дува баков ракеты-носителя Часть 4 Унифицированный агрегат наддува однокамерного двигателя // Труды НПО Энергомаш, М 2007, № 25, С 286-301

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Обоснование проблемы необходимости разработки теплообменного аппарата другого типа конструкции для современного перспективного двигателя РД191.

1.1. - Система наддува баков ракеты-носителя.

1.2. Основные требования, предъявляемые к агрегату наддува двигателя РД191.

1.3. Анализ теплообменных аппаратов, применяемых в жидкостных ракетных двигателях.

1.3.1. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты двигателей

РД107 и РД108, РД111 и РД119.

1.3.2. Цилиндрические теплообменные аппараты двигателей РД120, РД170, РД171 и РД

Глава 2. Разработка основных принципов при проектировании пластинчато-ребристого агрегата наддува двигателя РД191.

2.1. Выбор типа конструкции агрегата наддува.

2;2„ "Проектирование конструкции агрегата наддува-.-. . . 462.3. Методика расчёта гидравлических потерь трактов.

2.4. Методика расчёта теплопередачи теплоносителей.

2.5. Расчёт прочности конструкции агрегата наддува.

Глава 3. Экспериментальное исследование агрегата наддува двигателя РД191.

3.1. Основные этапы испытаний агрегата наддува.

3.1.1. Приемо-сдаточные испытания.

3.1.2. Контрольно-выборочные испытания.

3.1.3. Испытания агрегата наддува при динамических нагрузках (тряски, вибрации и для определения амплитудно-частотных характеристик).

3.1.4. Автономные огневые испытания.

3.1.5. Испытания в составе двигателей РД191.

3.2. Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчётными значениями.

3.2.1. Автономные огневые испытания.

3.2.2. Испытания в составе доводочных двигателей РД191.

Глава 4. Создание унифицированной конструкции теплообменного аппарата для жидкостных ракетных двигателей.

4.1. Расчёт распределений теплоносителей в каналах стенок агрегата наддува двигателя РД191.

4.2. Оптимизация геометрических характеристик стенок.

4.3. Проектирование усовершенствованного агрегата наддува РД191.

4.4. Проектирование пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов двигателей РД171М и РД180.

Глава 5. Анализ способа интенсификации теплообмена путём нанесения луночного рельефа.

Глава 6. Оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов в жидкостные ракетные двигатели

Актуальность диссертации. Проблема разработки эффективного теплообменного аппарата (ТО) актуальна практически для любой сферы народного хозяйства. Они широко применяются в энергетике, транспортной, химической и др. отраслях промышленности и имеют разнообразные конструкции, зависящие от условий работы и предъявляемым к ним требованиям. В каждой области разработчики преследуют свои цели и опираются на свои критерии. Интенсивное развитие техники в настоящее время характеризуется увеличением мощности и коэффициента полезного действия установок, повышением температур и давлений применяемых теплоносителей, форсированием рабочего процесса и выдвижению современных требований к ТО. Для решения новых задач необходимо создание усовершенствованных ТО, обеспечивающих оптимальное сочетание тепловой эффективности, технологичности, удобства эксплуатации и минимальной стоимости.

Освоение космического пространства, коммерциализация космической деятельности, рост конкурентной борьбы среди стран, ведущих в ракетно-космической отрасли, и стран, развивающихся в этом направлении, ставят аналогичные задачи перед разработчиками ТО ракетной техники. ТО в составе жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) предназначен для нагрева газа (гелия, азота, кислорода и др.), который поступает в бак окислителя или бак горючего ракеты-носителя (РН) и создаёт в них необходимое значение давления (наддув баков) и обеспечивает бескавитационную работу бустерных насосных агрегатов (БНА). Основными требованиями, предъявляемыми к ТО ЖРД являются:

- обеспечение заданных выходных параметров теплоносителей;

- работоспособность при высоких давлениях (более 300 кгс/см") и температурах (500°С), в широком диапазоне изменения температур (от минус 200°С до плюс 500°С); - "" гарантия "^прочности" и' "надёжности "конструкции при статических ~~ и ~ динамических нагрузках;

- стойкость к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе;

- технологичность в изготовлении;

- минимальные габаритно-массовые характеристики;

- оптимальная стоимость.

Кожухотрубчатые ТО, применяемые в двигателях РД107 и РД108, РД111 и РД119,'несмотря на многолетнюю эксплуатацию, с современной точки зрения обладают следующими недостатками:

- тип конструкции характеризуется низкой компактностью;

- трудно обеспечить работоспособность ТО при высоких давлениях и динамических нагрузках, характерных для современных двигателей;

- имеют сложную технологию изготовления (например, соединение каждой трубки с кожухом осуществляется посредством ручной пайки);

- используемые материалы не обладают стойкостью к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе.

Цилиндрические ТО, применяемые в двигателях РД120, РД171, РД170 и РД180, наряду с успешным использованием, обладают следующими недостатками:

- тип конструкции предусматривает наличие объёма в центральной части ТО, не участвующего в теплообмене и увеличивающего его габаритно-массовые характеристики, которые затрудняют установку в двигателе;

- имеют сложную технологию изготовления;

- выполняются из большого количества разных материалов.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка компактного агрегата наддува (АН) современного перспективного двигателя РД191, предназначенного для наддува бака окислителя и бака горючего РН «Ангара».

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведение анализа ТО, применяемых в ЖРД, и обоснование актуальности разработки АН другого типа конструкции.

2. Выбор типа конструкции и проектирование АН.

3. Разработка методик и проведение расчётов гидравлических потерь трактов и теплопередачи теплоносителей, оценка прочности его конструкции.

4. Создание и экспериментальная проверка АН для подтверждения обеспечения предъявляемых к нему требований.

5. Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчётными значениями.

6. Разработка оптимизированных стенок трактов теплоносителей и проектирование унифицированных пластинчато-ребристых АН двигателя РД191 и ТО двигателей РД171М и РД180.

7. Анализ—современного—способа-интенсификации -теплообмена -путём нанесения луночного рельефа и оценка его применения в каналах оптимизированных стенок тракта гелия.

8. Оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД.

Научная новизна диссертации заключается в том, что создана методика разработки ТО, принципиально нового для ЖРД пластинчато-ребристого типа конструкции, основанная на сборе, анализе, обобщении и систематизации знаний, внедрении совершенно новых и использованию принятых на предприятии подходов проектирования, проведения расчётов, создания и экспериментальной проверки. Она включает следующие этапы: постановка цели; анализ существующих ТО, применяемых в ЖРД; - идея модернизации; проектирование, включающее обоснование выбора типа конструкции;

- создание методик и проведение многопараметрических расчётов гидравлических потерь трактов и теплопередачи теплоносителей, отражающих особенности конструкции агрегата;

- сравнение расчётных и требуемых значений параметров теплоносителей; оптимизация конструкции; оценка эффективности с точки зрения величин габаритно-массовых характеристик, технологичности и экономичности изготовления;

- ' проведение мероприятий по повышению эффективности агрегата; создание технологии и изготовление;

- экспериментальная проверка;

- сравнение результатов испытаний с предъявляемыми требованиями;

- усовершенствование теплообменного аппарата;

- оценка эффективности;

- внедрение в ЖРД.

В процессе данной работы спроектирован, рассчитан и изготовлен АН пластинчато-ребристого типа конструкции, ранее не применяемого в ракетном двигателестроении. Проведена экспериментальная проверка АН, подтверждающая его прочность, герметичность, работоспособность, надёжность и обеспечение заданных выходных значений основных параметров теплоносителей. АН внедрён и успешно эксплуатируется в составе двигателя РД191 РН «Ангара».

Кроме того, выполнено исследование с помощью компьютерного моделирования распределений теплоносителей в каналах стенок и оптимизированы геометрические характеристики стенок АН. Спроектирована усовершенствованная конструкция АН двигателя РД191, главной особенностью которой-является её-универсальность,-позволяющаясоздавать ТО.для любого ЖРД с другими техническими параметрами. В зависимости от требований технического задания (ТЗ), они будут отличаться друг от друга лишь количеством стенок, высотой корпуса и объёмом коллекторов. Спроектированы унифицированные пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180.

Также, проведён анализ последних достижений в области интенсификации теплообмена: современного способа путём нанесения луночных рельефов на плоскости и в каналах. Даны рекомендации и проведена оценка использования четырёх самых эффективных луночных рельефа в. каналах оптимизированных стенок тракта гелия.

Таким образом, сформулирована и достигнута цель по разработке компактного ТО ЖРД, который внедрён в практику, что способствует дальнейшему развитию науки и техники ракетно-космического направления.

Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительной согласованностью проектных, расчётных и экспериментальных данных, использованием при составлении методик расчётов фундаментальных уравнений гидромеханики и теплопередачи, применением основных методов численного моделирования с помощью компьютерных программ NASTRAN, Flow Vision, многоблочных вычислительных технологий (МВТ) и пакетов VP2/3 и FLUENT и комплексом успешных испытаний, а также высокой степенью надёжности системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации.

Научная и практическая значимость диссертации, состоит в том, что разработан и успешно используется пластинчато-ребристый АН двигателя РД191, который по сравнению с кожухотрубчатыми и цилиндрическими ТО, применяемыми в ЖРД, является самым компактным, лёгким, технологичным, экономичным и обладает рядом др. преимуществ.

Благодаря оптимизации поверхностей теплообмена стенок трактов теплоносителей АН появилась возможность на их основе разрабатывать унифицированные пластинчато-ребристые ТО для применяемых в настоящее время и новых ЖРД, сократить время на их создание и доводку и затраты на изготовление. Спроектированы усовершенствованный АН двигателя РД191 и пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180, которые имеют значительные преимущества по сравнению с ТО, применяемыми в настоящее время в этих двигателях.

Проведённый автором анализ показал, что использование способа интенсификации путём нанесения луночных рельефов является перспективным в ракетном двигателестроении, так как позволяет форсировать процесс теплопередачи и дополнительно уменьшить габаритно-массовые характеристики, трудоёмкость и стоимость изготовления и повысить КПД теплопередачи ТО. Рекомендуется нанести один из четырёх самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия, что увеличит объём знаний о лунках и расширит область их применения.

Оценка----эффективности -- пластинчатотребристых „ТОпозволяет прогнозировать их внедрение в существующие и вновь создаваемые ЖРД.

Таким образом, проведено научное обоснование и экспериментальное подтверждение результатов диссертационной работы, где были применены различные средства совершенствования и оптимизации производственного процесса, трудовых и материальных ресурсов при создании ТО ЖРД.

Реализация^ работы. Работа выполнялась на протяжении последних восьми лет и будет продолжена в рамках программы создания современного двигателя РД191 РН «Ангара». Прогнозируется дальнейшее внедрение унифицированных пластинчато-ребристых ТО в двигатели РД171М и РД180.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Создана методика разработки ТО для ЖРД.

2. Проведён анализ ТО, применяемых в ЖРД.

3. Сформулированы цели, задачи, основные этапы разработки АН двигателя РД191, предъявляемые к нему требования.

4. Обоснован выбор пластинчато-ребристого типа конструкции и спроектирован АН.

5. Для углубленного изучения конструкции и выбора оптимального варианта при её проектировании, используя опыт проведения расчётов на предприятии, автором рассчитаны гидравлические потери трактов и теплопередача-теплоносителей АН.

6. Для подтверждения правильности использованных методик расчёта проведена серия расчётов по экспериментальным данным, полученным на автономных огневых испытаниях и испытаниях АН в составе двигателей РД191. Рассчитаны выходные параметры азота при входных параметрах теплоносителей, реализованных на испытаниях. При сравнении и анализе расчётных и экспериментальных значений получена удовлетворительная их согласованность.

7. Для достижения ' максимальной равномерности распределения теплоносителей в каналах стенок АН, по результатам проведённой расчётной оценки, автором оптимизированы поверхности теплообмена стенок трактов-теплоносителей.

8. Спроектированы унифицированные пластинчато-ребристые АН двигателя РД191 и ТО двигателей РД171М и РД180. Рассчитаны гидравлические потери трактов и теплопередача теплоносителей этих ТО.

9. Изучен и проанализирован новый способ интенсификации теплообмена путём нанесения луночных рельефов на плоскости и в каналах. Проведена оценка использования четырёх самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия, разработаны рекомендации.

Ю.Проведена оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД по пяти критериям: унификации, габаритно-массовым характеристикам, технологичности, КПД теплопередачи и экономичности изготовления. , .

Заключение

1. Автором создана методика разработки ТО ЖРД.

2. Сформулированы цель и задачи, которые необходимо решить при разработке АН современного перспективного двигателя РД191 РН «Ангара».

3. Проведён сравнительный анализ кожухотрубчатых ТО двигателей РД107 и РД108, РД111 и РД119 и цилиндрических ТО двигателей РД120, РД171, РД170 и РД180 по основным критериям двигателестроения. Рассмотрены конструктивные особенности ТО, отмечены их преимущества и недостатки. В результате анализа выявлена необходимость выбора другого типа конструкции ТО, ранее не применяемого в ракетном двигателе-строении.

4. Обоснован выбор пластинчато-ребристого типа конструкции ТО, отличающегося самой компактной формой поверхности теплообмена и обладающего рядом преимуществ по сравнению с применяемыми типами конструкций. Спроектирован АН двигателя РД191, включающий два ТО (для наддува бака окислителя и для наддува бака горючего).

5. Созданы методики и проведены многопараметрические расчёты гидравлических потерь трактов, теплопередачи теплоносителей и прочности конструкции АН, результаты которых показали, что он обеспечивает заданные выходные значения основных параметров теплоносителей и обладает достаточной прочностью.

6. Экспериментально подтверждены прочность и герметичность АН двигателя РД191, его работоспособность при высоких давлениях и температурах, в широком диапазоне изменения температуры, в условиях статических и динамических нагрузок и стойкость к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе. Экспериментально доказаны работоспособность и надёжность АН в составе двигателей РД191 и получены заданные выходные значения основных параметров теплоносителей. Получена удовлетворительная согласованность расчётных и экспериментальных величин.

7. В результате оптимизации разработаны конструкции стенок трактов теплоносителей АН, в которых реализуются максимально равномерные распределения теплоносителей в каналах.

8. На базе оптимизированных стенок, автором спроектирована усовершенствованная конструкция АН двигателя РД191 и подтверждена её унифи

162 кация путём проектирования пластинчато-ребристых ТО двигателей РД171М и РД180. Расчёты гидравлических потерь трактов и теплопередачи показали, что усовершенствованный АН и пластинчато-ребристые ТО удовлетворяют требованиям ТЗ.

9. Проведён анализ современного способа интенсификации теплообмена, характеризующийся опережающим ростом теплоотдачи по сравнению с гидравлическими потерями, заключающийся в нанесении на поверхности или в канале луночного рельефа, состоящего из сферических или траншейных лунок различной глубины и расположения. Автором проведено численное исследование влияния различных луночных рельефов на эффективность ТО и даны рекомендации их использования в каналах оптимизированных стенок тракта гелия.

10.В результате проведённых работ спроектирован, создан, экспериментально проверен, внедрён и успешно эксплуатируется пластинчато-ребристый АН в составе современного перспективного двигателя РД191 РН «Ангара». Автором проведена оценка эффективности внедрения унифицированных пластинчато-ребристых ТО, позволяющая прогнозировать их применение в существующих и вновь создаваемых ЖРД.

1. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Под ред. проф. Гахуна Г.Г. //М.: Машиностроение, 1989, 423 с.

2. Кошкин В.К, Калиннн Э.К Теплообменные аппараты и теплоносители (теория и расчёт) //М.: Машиностроение, 1971. 200 с.

3. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спиральные теплообменники //М.: Машиностроение, 1973. 288 с.

4. Лунин О.Г. Теплообменные аппараты пищевой промышленности //М.: Изд-во Пищевая промышленность, 1967. 215 с.

5. Глушко В.П. Развитие ракетостроения и космонавтики в СССР //М.: Изд-во Агентства печати Новости, 1973. 56 с.

6. Путь в ракетной технике. Под ред. академ. РАН Каторгина Б.И. //М.: Машиностроение-Полёт, 2004. 487 с.

7. Альбом конструкций ЖРД. Часть третья. Составлен под руков. академ. Глушко В.П. И М.: Ордена Трудового Красного Знамени Военное Изд-во Министерства Обороны СССР, 1969, 204 с.

8. Громыко Б.М., Клюева О.Г. Совершенствование теплообменников для наддува баков ракеты-носителя. Часть 1. Кожухотрубчатый испаритель азота двигателя РД107 // Труды НПО Энергомаш, М.: 2006, № 24, С. 246-255.

9. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача // М.: Высшая школа, 1980. 469 с.

10. Керн Д., Краус А. Развитые поверхности теплообмена // М.: Энергия, 1977, 461 с.

11. Х.Андреев В.А. Теплообменные аппараты для вязких жидкостей // Л.: Энергия, 1971, 150 с.

12. Справочник по теплообменникам в двух томах Перевод с англ. под ред. Мартьпиенко О.Г., Михалевича А.А., Шикова В.К II М.: Энергоатомиз-дат, 1987, 1 том 559 е., 2 том 351 с.

13. Ъ.Воронин Г.И., Дубровский Е.В. Эффективные теплообменники // М.: Машиностроение, 1973, 95 с.

14. Клюева О.Г. Совершенствование теплообменников для наддува баков ракеты-носителя. Часть 2. Цилиндрический теплообменник двигателя РД171 // Труды НПО Энергомаш, М.: 2006, № 24, С. 256-271.

15. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи //М.: Энергия, 1977,343 с.

16. Ермилов В.Г. Теплообменные аппараты и конденсационные установки // Л.: Судостроение, 1974, 223 с.

17. Фраас А., Оцисик М. Расчёт и конструирование теплообменников // М.: Атомиздат, 1971, 357 с.

18. Бедов Ю.А., Белов Е.А., Богушев В.Ю., Клюева О.Г., Тарасов В.В. Создание усовершенствованного пластинчатого агрегата наддува // Труды НПО Энергомаш, М.: 2004, № 22, С.132-146.

19. Громыко Б.М., Григоркин Н.М., Клюева ОТ., Полианчик К. Д., Черкасов JI.B. Пластинчатые теплообменники // Труды НПО Энергомаш, М.: 2004, № 22, С. 119-131, «Конверсия в машиностроении» Изд. «Ин-формконверсия», 2006, № 1(74), С. 32-37.

20. Иделъчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям //М.: Машиностроение, 1975, 559 с.

21. Кэйс В.М., Лондон A.JT. Компактные теплообменники Пер. с англ. В.Я. Сидорова под. ред. Ю.В. Петровского М.: Энергия, 1967, 224 с.

22. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963, 708 с.

23. Цедерберг Н.В., Попов В.Н., Морозова Н.А. Термодинамические и тепло-физические свойства гелия М.: Атомиздат, 1969, 276 с.

24. Справочник "Авиационные материалы" под. ред. Туманова A.T.//М.: изд. ВИАМ, 1989, Т.2, 372 с.

25. Клюева О.Г. Совершенствование теплообменников для наддува баков ракеты-носителя. Часть 4. Унифицированный агрегат наддува однокамерного двигателя // Труды НПО Энергомаш, М.: 2007, № 25, С. 286-301.

26. Терехов В.И., Калинина С.В. Структура течения и теплообмен при обтекании единичной сферической каверны. Состояние вопроса и проблемы // Теплофизика и аэромеханика, 2002, Т.9, № 4, С.497-520.

27. Попов И.А. Гидродинамика и теплообмен внешних и свободно-конвективных вертикальных течений с интенсификацией. Интенсификация теплообмена: монография // Под ред. Ю.Ф.Гортышова. Казань: Центр инновационных технологий, 2007, 326 с.

28. Mahmood G.I., Hill M.L., Nelson D.L., Ligrani P.M., Moon H.K., Glezer B. Local heat transfer and flow structure on and above a dimpled surface in a channel // ASME Paper, 2000, 2000-GT-230, 1 lp.

29. Donnellan K. Enhancement of heat transfer from dimpled surfaces in the presence of high free stream turbulence // Final Report of MER 197: Senior Project, 2001, 22p.

30. Ъ1.Еккас1 S. V., Nasir H. Dimple enhanced heat transfer in high aspect ratio channels // Proceedings of IMECE: 2001 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition, November 11-16, 2001, New-York, NY. Paper 2-14-1-4. 7p.

31. Zhou F., Achaiya S. Mass/heat transfer in dimpled two-pass coolant passages with rotation // Heat transfer in gas turbine systems / Ed. R.J.Godstein Annals of the New-York Academy of Science, 2001, Vol.934, P.424-431.

32. Burgess N.K., Ligrani P.M. Effects of dimple depth on channel Nusselt numbers and friction factors // J. Heat Transfer, 2005, V.127, P. 839-847.

33. Леонтьев А.И., Усачов A.E., Исаев C.A. Численное исследование механизма вихревой интенсификации тепломассообменных процессов в окрестности поверхности с лункой // ИФЖ, 1998, Т. 71, № 3, С. 484-490.

34. Леонтьев А.И., Фролов Д.П. Идентификация самоорганизующихся струйно-вихревых структур при численном моделировании ламинарного течения и теплообмена в окрестности несимметричной уединенной лунки // Известия РАН, Энергетика, 1999, № 2, С. 126-136.

35. Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчёта отрывных течений несжимаемой жидкости // JL, Судостроение, 1989, 256 с.

36. Menter F.R. Zonal two equation k-co turbulence models for aerodynamic flows // AIAA Paper, 1993, № 93-2906, 21 p.

37. Белое И.А. Моделирование турбулентных течений. Учебное пособие // СПб.: БГТУ, 2001, 107 с.

38. Леонтьев А.И., Исаев С.А.Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена при турбулентном обтекании сферической лунки на стенке узкого канала // Известия РАН, ТВТ, 2003, Т. 41, № 5, С. 755-770.

39. Баранов П.А., Кудрявцев Н.А., Баранова Т.А. Численное моделирование влияния чисел Рейнольдса и Прандтля на ламинарный теплообмен в коридорном пакете круглых различной плотности // Теплофизика и аэромеханика, 2004, Т. 11, № 1, С.87-106.

40. Chyu М.К., Ding Н., Downs J.P., Soechring F.O. Concavity Enhancement Heat Transfer in Internal Cooling Passage // ASME Paper, 1997, 97-GT-437, 8 P

41. Леонтьев А.И., Исаев С.А. Численное моделирование гидродинамики и теплообмена при турбулентном поперечном обтекании траншеи на плоской стенки // Известия РАН, ТВТ, 2005, Т. 43, № 1, С. 86-99.

42. Леонтьев А.И., Исаев С.А. Развитие энергосберегающих технологий на основе использования луночных рельефов с помощью численного моделирования // Тезисы докл. XXVIII Сибирского теплофизического семинара. Новосибирск: ИТФ СО РАН, 2005, С.89-90.

43. Кафаров В.В., Мешалкнн В.П.,Гурьева Л.В. Оптимизация теплообменных процессов и систем // М. Энергоатомиздат, 1988, 191 с.