Автореферат (Рабочие процессы в ракетном двигателе малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан), страница 2

Москва, на III-й Международной молодежной научно-техническойконференции «Молодежь, техника, космос», «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова, 2011г., г. Санкт-Петербург, на Международной научно-технической конференции "Проблема и перспективы развития двигателестроения" г. Самара,2011г.5ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в научных журналах и изданиях, которые включены в перечень российскихрецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основныхвыводов, списка используемых источников из 60 наименований, приложения на6 страницах, изложена на 167 страницах машинописного текста, включающего119 иллюстраций и 21 таблицу.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, рассматривается ее научная новизна и практическая значимость.

Даетсяописание структуры и содержания диссертации.В первой главе приведен обзор разработок ракетных двигателей на компонентах топлива кислород-метан. Анализируется материал по исследованию иприменению этой пары в качестве топлива.В России исследователи, в основном, занимаются проработкой теоретических вопросов возможностей использования метана в качестве горючего дляиспользования в двигателях больших тяг. В экспериментальных работах используются двигатели, модернизируемые из имеющихся кислород-водородныхи кислород-керосиновых двигателей.

Российскими двигателями, разработанными для использования кислород-метанового топлива является семействодвигателей НПО Энергомаш (РД-167, РД-169, РД-182, РД-185, РД-190, РД-192),модифицированными и доработанными для использования этого топлива являются С5.86.1000-0 – разработка КБХМ им. А.М.Исаева и двигатель КБХАРД0110МД,.Исследованиями рабочих процессов в РДМТ в России занимается ограниченное число авторов.

Преимущественно это теоретические исследования,которые подкрепляются экспериментальными данными других авторов. Частьработ по математическому моделированию внутрикамерных процессов неимеют практического подтверждения.Зарубежными компаниями ведутся экспериментальные работы по исследованию процессов в камерах сгорания РДМТ. Эти работы посвящены, в основном, получению интегральных характеристик рабочего процесса.Практически нет исследований, посвященных проработке вопроса использования газообразных компонентов в РДМТ. Авторы рассматривают топливо, где один из компонентов находится в газообразном состоянии, другой – вжидком.

В имеющихся же работах не проводится оценка уровней температур,получаемых на огневом днище и на стенках камеры сгорания.При проведении экспериментальных исследований авторы используютпреимущественно регенеративное охлаждение стенок двигателя. С одной стороны, это дает возможность исследовать более напряженные режимы работы6двигателя по соотношению компонентов, либо провести более длительные запуски. С другой стороны, использование регенеративного охлаждения меняеткартину рабочих процессов и на практике усложняет реализацию импульсногорежима работы РДМТ. Такой вариант охлаждения неприменим в летных образцах из-за значительного усложнения и утяжеления конструкции.В главе показана необходимость разработки методики проектированияРДМТ на газообразном кислороде и газообразном метане для использования вкачестве исполнительного органа реактивной системы управления (РСУ) в объединенной двигательной установке (ОДУ).

Cформированы основные задачи длядостижения цели данной работы и методы их решения.Во второй главе рассматривается объект исследования – специальноразработанный экспериментальный РД тягой 200…250Н, работающий на компонентах топлива газообразный кислород и газообразный метан. Смесеобразование организуется в форсуночной головке пластинчатого типа (рисунок 1,а).Смесительный элемент – двухкомпонентная струйно-центробежная форсунка(рисунок 1,б). На форсуночной головке расположено шесть форсунок по периферии, в центральной части – система воспламенения с электроискровым источником зажигания (рисунок 1,а).

Подача компонента отдельно на свечу отсутствует, зажигание происходит при попадании компонентов из камеры сгорания в полость перед свечой зажигания.б)а)Рисунок 1. Конструкция форсуночной головки (а) и смесительного элемента (б)экспериментального РД МТПредусмотрен отдельный подвод компонента для завесного охлаждениястенок камеры сгорания, позволяющий менять расход и вид охладителя в зависимости от задач исследования. Завеса выполнена фрезерованием 20 каналов нанижней распределительной пластине (рисунок 2).

Для исследования характеристик завесного охлаждения предусмотрен специальный конструктивный элемент («юбка») (рисунки 1,а; 2), который разделяет поток завесы и горячие продукты сгорания на начальном участке камеры сгорания. Этот элемент позволяет предупредить быстрое размытие завесы и задать направление потоков.Для стендовых испытаний при атмосферных условиях камера сгоранияизготовлена с укороченным соплом (рисунок 3). Огневые эксперименты прово7дились на камерах сгорания с различными приведенными длинами КС:1,075м, 0,933м и 0,463м. Особенностью экспериментальной камеры сгоранияявляется возможность прямого измерения давления в камере сгорания через отверстие в корпусе.

Охлаждение стенок камеры сгорания осуществляется толькопри помощи завесы одним из компонентов топлива без использования дополнительного регенеративного охлаждения, что приближает исследование к реальным условиям эксплуатации двигателя. Смесительная головка и камера сгорания выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и стыкуются фланцевымсоединением.

Несколько вариантов юбок выполнены из бронзового сплаваБрХ0,8 и из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.Рисунок 2. Модель пластинчатой смесительной головки(без корпуса-фланца)Рисунок 3. Газодинамический профиль камеры сгоранияКомпоненты топлива на форсунки подаются через штуцера подвода компонентов, для равномерного распределения расходов по форсункам используются 3 распределительные пластины (рисунок 1,а). Предусмотрено варьирование подачи компонентов на форсунки (метан/кислород может поступать как вцентральную часть форсунок, так и по периферии), что дает возможность получения дополнительных данных по характеристикам процессов смесеобразования, горения и охлаждения огневого днища.

Экспериментальный двигатель всборе представлен на рисунке 4.Рисунок 4. Экспериментальный образец РДМТ8Третья глава диссертации посвящена описанию используемой математической модели внутрикамерных процессов в РДМТ и полученных результатов расчетно-теоретического исследования.Для численного эксперимента использовался программный комплекс«Ansys CFX», являющийся общепризнанной универсальной программой длярешения термодинамических и гидравлических задач.

Многими авторами использовались возможности этого комплекса для решения поставленных задач,однако до сих пор нет общего метода решения сходных задач из-за отсутствияуниверсальных уравнений процессов. Поэтому в настоящее время выбор модели турбулентности, модели горения, построение расчетной сетки, задание граничных условий и констант для замыкания системы уравнений считаются одним из главных направлений в численном анализе.Полная система уравнений, описывающая течение смеси, в векторнойформе имеет следующий вид:1.Уравнение сохранения массы(1)где – плотность, – время,– вектор скорости в декартовых координатах;.(2)2.Уравнения сохранения импульса(3)(4)где - тензор напряжений, - давление, – коэффициент динамическойвязкости, - единичная матрица, - тензорное умножение.3.Уравнение сохранения энергии(5)гдеводности;–полная энтальпия смеси; λ – коэффициент теплопро- энтальпия смеси;– кинетическая составляющая;и- энтальпия, энтальпия образования итеплоемкость при постоянном давлении компонента α;– функция, учитывающая работу вязкостных сил;() – работа от внешних источников,- источниковый член.4.Уравнения сохранения компонентов смеси(6)где– массовая концентрация компонента α; - диффузионный поток;- химический источник.Взаимосвязь массовыхи молярных концентраций :9,где(7)– молекулярная масса компонента α, молекулярная масса смеси:(8)Для замыкания этой системы уравнений используется уравнение состояния:(9)В качестве модели турбулентности выбрана модель SST, которая совмещает модель k-ω для пристеночной области и модель k-ε для основного потока.Расчет течения в смесительной головке.На начальном этапе исследования автором рассмотрены процессы смесеобразования и распределения компонентов, происходящие в смесительной головке РДМТ.

В математической модели течения в смесительной головке приняты следующие допущения:1.задача стационарна;2.рабочая среда – газообразный кислород/ метан с температурой 300Кна входе в расчетную область;3.расчет производится без учета гравитационных сил;4.теплообмен со стенкой отсутствует (адиабатическая стенка).Использовалась полная модель переноса энергии для учета вязкостныхсил и турбулентности.Моделирование проводилось отдельно для каждой гидравлической области подачи компонентов: магистрали подачи компонента в центральнуючасть форсунок, магистрали периферийного подвода компонента в форсунки,магистрали подачи компонента в завесу.На рисунке 5 представлено распределение компонента по форсункам и поканалам завесы в процентах от суммарного расхода (цифрами на сером фонеобозначены номера форсунок, на голубом фоне – номера каналов завесы). Налевом верхнем рисунке представлено распределение метана, полученное прирасчете на сетках с различным количеством конечных элементов(n=93090…4234554).

Расхождение в полученных значениях расходов компонента в сравнении со средним значением находятся в пределах 3%. Это говорито независимости результатов решения при увеличении количества элементовсетки.Следовательно, на начальном этапе исследования процессов течения всмесительной головке выбранной конструкции и изучения пофорсуночногораспределения компонентов для сокращения временных затрат при ограниченных машинных мощностях достаточно точное решение можно получить на относительно грубой сетке. Поэтому для дальнейшего исследования распределения компонента по магистрали кислорода и магистрали компонента, идущегона завесное охлаждение, принимается сетка с количеством элементов не более1 млн.10а) магистраль подвода метана вцентральную часть форсунокб) магистраль подвода кислорода в периферийную часть форсунокв) подвод компонента в завесуРисунок 5.