Автореферат (Моделирование внутреннего (завесного) охлаждения ракетного двигателя малой тяги на экологически чистых газообразных компонентах топлива)

На правах рукописиБогачева Дарья ЮрьевнаМОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО (ЗАВЕСНОГО) ОХЛАЖДЕНИЯ РАКЕТНОГОДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ НА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ГАЗООБРАЗНЫХКОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВАСпециальность 05.07.05Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановкилетательных аппаратовАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)».Научный руководитель:доктор технических наук, профессор,Козлов Александр АлександровичОфициальныеоппоненты:Ягодников Дмитрий Алексеевич,доктор технических наук, профессор,Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования«Московский государственный технический университет им.Н.Э.

Баумана»Заведующий кафедрой "Ракетные двигатели"Александров Лев Григорьевич,кандидат технических наук,Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Научно-производственноеобъединениеимениС.А.Лавочкина» (ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина»)Начальник сектора отдела "Двигательные установки"Ведущая организация:Открытое акционерное общество «Военно-промышленнаякорпорация"Научно-производственноеобъединениемашиностроения"» (ОАО ВПК "НПО машиностроения")Защита состоится «25» декабря 2014 г.

в 1300 часов на заседании диссертационногосовета Д212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института (национальногоисследовательского университета) по адресу: 125993, Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамскоешоссе, д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационногоинститута(национальногоисследовательскогоуниверситета)http://www.mai.ru/events/defence/.Автореферат разослан: «_____» ________________ 2014 г.Ученый секретарьдиссертационногосовета Д212.125.08,д.

т. н., профессорЗуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации. Задачи дальнейшего освоения космическогопространства и расширения использования космических средств для мониторинга, связи,метеорологии, обороны и науки имеют большое практическое значение в настоящее время.Решение таких целенаправленных задач привело к необходимости создания управляемыхкосмических летательных аппаратов (КЛА). В качестве исполнительных органов системыуправления (СУ) КЛА используются ракетные двигатели малых тяг (РДМТ), которыеобеспечивают ориентацию объекта в пространстве, ускорение, торможение, коррекциютраектории и ряд других операций.Одной из важных тенденций развития ракетного двигателестроения являетсяразработка надежных и высокоэффективных РДМТ, работающих на экологически чистыхнесамовоспламеняющихся компонентах топлива (КТ): керосин+O2, керосин+H2O2, H2+O2,CH4+O2.Высокая эффективность работы (высокий удельный импульс) может бытьреализована при соотношениях КТ, близких к стехиометрическим.

При таком соотношениитемпература продуктов сгорания (ПС) находится на уровне 2800-3500 К (при давлении вкамере сгорания (КС) к = 1 МПа и коэффициенте избытка окислителя = 1 для КТкеросин+O2, керосин+H2O2, H2+O2, CH4+O2). Поэтому при применении высокоэнергетичныхтоплив проблема надежной тепловой защиты РДМТ остается актуальной.Наиболее распространенным методом защиты стенок КС РДМТ отвысокотемпературных ПС (конвективного и радиационного тепловых потоков) является, такназываемое, внутреннее (завесное) охлаждение.Завесноеохлаждениеосуществляетсяпутемсозданияоколостенкинизкотемпературного пристеночного слоя газа или жидкости. Охлаждающий компонент(окислитель или горючее) подается на внутреннюю поверхность стенки КС через отверстияили щели различной конфигурации. Использование завесного охлаждения сопровождаетсяопределенными потерями удельного импульса. Эти потери будут тем больше, чем нижетемпература в пристеночном слое.

Пристеночный слой образуется в результатеперемешивания завесы и потока от периферийного (наиболее близкого к стенке КС) рядафорсунок смесительной головки. Температура в пристеночном слое, в свою очередь, зависитот целого ряда факторов, таких как: соотношение КТ в периферийных форсунках (в случаеприменения двухкомпонентных форсунок), расхода охладителя, конструктивного исполнениясистемы завесного охлаждения и других.Основными критериями выбора параметров завесного охлаждения является еготепловая и энергетическая эффективность. Под тепловой эффективностью подразумеваетсяспособность завесы предотвращать нагрев стенки КС выше максимальной рабочейтемпературы материала. Под энергетической эффективностью понимается минимизацияпотерь удельного импульса от использования завесы.

Эти два критерия являютсяпротиворечивыми.Таким образом, исследование эффективной организации рабочего процесса в КСРДМТ с учетом завесного охлаждения на несамовоспламеняющихся топливах являетсяактуальной научно-технической задачей. Эта актуальность, прежде всего, связана сотсутствием инженерной методики расчета турбулентного перемешивания завесы сосновным потоком ПС применительно к рабочим процессам в РДМТ. Кроме того, внастоящее время используются методики расчета, основывающиеся на экспериментальныхкоэффициентах, при этом развитие инструментов компьютерного моделирования позволяетпроводить численные эксперименты с высоким уровнем точности.

Совершенствование3методик расчета высокоэффективных РДМТ на основе численного моделированиявнутрикамерных процессов является актуальной научной задачей.ОбъектомисследованияявляетсяРДМТ,работающийнанесамовоспламеняющихся экологически чистых газообразных КТ: CH4+O2.Целью работы является повышение эффективности разработки РДМТ,работающего на непрерывном режиме путем применения численного моделированиявнутрикамерных процессов в РДМТ с учетом завесного охлаждения.Основные задачи, решаемые в диссертационной работе:1. Анализ современного состояния моделирования завесного охлаждения в ЖРД.2.

Выбор математической модели и метода математического моделирования тепловогосостояния РДМТ для проведения расчетов.3. Верификация модели по огневым испытаниям РДМТ с целью определения тепловогосостояния КС и оценки адекватности использованных математических моделей ипринятых при расчетах допущений.4. Разработка рекомендаций по моделированию внутрикамерных процессов в РДМТ сиспользованием пакетов прикладных программ вычислительной гидрогазодинамики.Научная новизна работы заключается в следующем:1. Проведен анализ влияния основных параметров системы охлаждения (параметра вдува , конструктивного исполнения системы охлаждения и способа подачи охладителя:высоты щели, толщины стенки над щелью, угла выхода охлаждающего газа, способаввода охлаждающего компонента (радиально или тангенциально), расположения щелейзавесы относительно форсунок и т.д.) на тепловое состояние КС РДМТ.2.

Проведено численное моделирование теплового состояния КС с учетом завесногоохлаждения.3. На основе проведенных экспериментальных исследований уточнена математическаямодель турбулентного перемешивания завесы с продуктами сгорания основного потока сучетом особенностей двигателей малых тяг.4. Даны рекомендации по моделированию внутрикамерных процессов в РДМТ.Практическая ценность и реализация результатов работы.Усовершенствованная инженерная методика расчета турбулентного перемешиваниязавесы с ПС основного потока позволяет уточнить прогнозирование теплового состояниястенки КС и сопла. Показано, что корректное численное моделирование (корректнаяпостановка граничных условий) теплового состояния стенки КС с помощью современногопрограммного комплекса ANSYS CFX не уступает по точности определения характеристиктеплообмена в РДМТ экспериментальным данным, позволяет дополнить, а в некоторыхслучаях заменить дорогостоящий эксперимент с целью получения распределения профилятемператур в пристеночном слое вдоль стенки КС с приемлемой для инженерной практикиточностью.Степень обоснованности и достоверности полученных результатов, выводов ирекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:использованием известных научных положений и методов исследований;применением сертифицированных программных средств для численных расчетовзадач механики сплошной среды;согласованием результатов численного эксперимента с экспериментальнымиданными.Основным вкладом диссертанта является предложенная и разработаннаяматематическая модель теплового состояния РДМТ, работающего на непрерывном режиме нагазообразных КТ: CH4+O2.4Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы обсуждалисьна: 10-й, 11-й и 12-й Международных конференциях "Авиация и космонавтика - 2011, 2012,2013", МАИ (НИУ), г. Москва, на XIX-й научно-технической конференции молодых ученыхи специалистов, РКК "Энергия" им. С.П. Королева, г. Королев, на IV и V Общероссийскоймолодежной научно-технической конференции "Молодежь. Техника. Космос", БГТУ"ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург, на Восьмой международной научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Энергия-2013",Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина, г. Иваново.Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них5 в журналах и изданиях, имеющих аккредитацию ВАК.Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырехглав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка используемыхисточников из 79 наименований, приложения на 7 страницах, изложена на 139 страницахмашинописного текста, включающего 79 иллюстраций и 14 таблиц.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы,формулируется цель работы и задачи исследования, отражены научная новизна, практическаязначимость, приведены положения, выносимые на защиту.В первой главе представлен обзор литературных источников, посвященныхисследованиям завесного охлаждения применительно к КС жидкостных ракетных двигателей(ЖРД).Изучению газовых завес посвящено большое число экспериментальных итеоретических работ как отечественных, так и зарубежных авторов.