Автореферат (Рабочие процессы в ракетном двигателе малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан), страница 4

Такой режим работыне может обеспечить высоких интегральных характеристик двигателя, но является важным для тестирования математической модели и определения границее применимости. В главе также представлен алгоритм исследования рабочихпроцессов в РДМТ, сформированный по результатам расчетно-теоретическогоисследования.В четвертой главе приведено описание огневого стенда для проведенияэкспериментальных исследований в атмосферных условиях. Дается описаниепоследовательности проведения экспериментов, представлены основные результаты огневых экспериментов разработанного двигателя, приводятся рекомендации по созданию РДМТ на ранних этапах проектирования.Основными особенностями работы стенда являются:возможность работы на длительных и импульсных режимах с фиксированием значения тяги с применением силоизмерительного устройства;автоматизированная система управления стендом, сбора и обработки данных;система измерения с использованием датчиков давления, расходов,температур, силы тока;система видеотрансляции с применением web-камер и высокоскоростных камер, возможна оценка температурного поля с помощью тепловизора.Экспериментальное исследование характеристик рабочего процесса происходило на различных рабочих режимах по расходам.

Измерялись параметры:расходы компонентов, давление компонентов перед смесительной головкой,16давление в КС, тяга, температуры на стенке КС. Можно выделить три основныхэтапа экспериментов: испытания с нормальным режимом подачи компонентов;испытания с обратной подачей компонентов; газогенераторный режим работы.На первом этапе (режим №1) проведены кратковременные запуски (продолжительность пуска 0,8 - 1,8 с) на различных расходах. При проведении экспериментов использовалась камера сгорания с приведенной длиной Lпр=0,933м.В центральную часть форсунки подается метан, по периферии – кислород.

Завесное охлаждение осуществляется газообразным кислородом.После проведения серии экспериментов на юбке (12Х18Н10Т) видна картина цветов побежалости, центральная часть огневого днища, свеча зажиганияи крепежные элементы юбки обгорели, несмотря на кратковременность запусков, что подтверждает наличие высокотемпературных обратных токов и образования зон повышенных температур вблизи юбки. Этот этап экспериментовпозволил провести верификацию математической модели.На втором этапе экспериментов (режим №2) исследовалась зависимостьрк и β от расходов компонентов при их обратной подаче.

По расходному комплексу β можно судить об эффективности экспериментального двигателя (рисунок 12):(11)Расход метана СН3,5÷12 г/с ; расход кислорода О(0,18÷0,9,0,77÷4); расход компонента на охлаждение:46,5 г/с ( зав 0,55÷0,75).8÷22 г/с31,5÷зав1900Эксперимент РЕЖИМ №2 юбка №11800Эксперимент РЕЖИМ №3 юбка №11700Эксперимент РЕЖИМ №3 юбка №3β теор1600β, м/с15001400130012001100100090001234567Коэффициент избытка окислителя α∑89Рисунок 12. Зависимость расходного комплекса β от суммарного коэффициента избытка окислителя в КС на различных режимах17Реверсивная подача компонентов, создающая восстановительную средувблизи огневого днища, позволяет провести более длительные эксперименты(продолжительность пуска 2…5 с). Используется конструкция №1 юбки из различных материалов.

С использованием юбки из БрХ0,8 проведено 22 пуска на2-ом этапе экспериментального исследования общей продолжительностью 62 с,из материала 12Х18Н10Т только 3 эксперимента с суммарным временем 7 сПоказано, что использование материала БрХ0,8 для юбки позволяет работать наболее жестких режимах по соотношению компонентов на форсунках (большиетемпературы около огневого днища) и с большим временем подачи компонентов.С увеличением расхода на завесное охлаждение и увеличении суммарного коэффициента избытка окислителя наблюдается снижение значения расходного комплекса β.На 2-ом и последующем этапах эксперимента производилось измерениетяги (рисунок 13) с помощью СИУ.200РЕЖИМ №2150Тяга R, HТяга R, Н20010050РЕЖИМ №315010050000,60,40,70,80,9Давление в КС рк, МПа0,50,60,70,8Давление в КС рк, МПа0,9Рисунок 13.

Экспериментальные зависимости тяги двигателя от давления вКС на различных режимах по коэффициенту избытка окислителя и суммарному расходу компонентов (линия - пустотное значение тяги двигателя с укороченным соплом)Проведенный пересчет измеренной тяги на пустотное значение для полноразмерного сопла показал, что для полученных в ходе экспериментов давлений в КС=0,6…0,9 МПа ее величина составит соответственно=120…188 Н.На третьем этапе (режим №3) экспериментов исследовались характеристики двигателя при подаче полного расхода кислорода в завесу охлаждения,изменялись суммарные расходы компонентов и соотношение компонентов.

Исследовалось влияние формы и материала юбки на эффективность работы двигателя.После серии экспериментов обнаружено, что конфузорные выходные сопла форсунок (конструкция №3) позволяют отодвинуть фронт пламени и снизить уровни температур вблизи огневого днища. Использование такой формыюбки способствовало уменьшению обгорания острой кромки юбки по сравнению с конструкцией №1 из-за большей толщины материала и меньшего угла18заострения.

Применение материала БрХ0,8 для юбки позволяет проводить более длительные эксперименты. Однако явных преимуществ использования сферической юбки (конструкция №3) для повышения эффективности двигателя посравнению с конической (конструкция №1) не отмечено.Также в этой главе диссертации проведено количественное и качественное сравнение и анализ численных и натурных экспериментов. Сравнение проводилось для конкретных случаев с полученными в ходе экспериментов расходами компонентов (таблица 2).Таблица 2. Сравнение расчетных и экспериментальных характеристикдвигателя.Юбка/ режим Констр.

1/Констр. 1/Констр. 1/Констр. 3/работы режим №2режим №2режим №2режим №3Параметрыфорсзав, г/с, МПаРасхождение, %рэксрэксрэкс1,01 1,01 0,89 0,89 0,17 0,170,8 0,794,14,15 2,23 2,220,60,60,71 0,71 0,54 0,5465,6 65,6 61,64 61,69 61,6 60,30,685 0,663 0,77 0,81 0,896 0,93,215,190,45р04,310,945640,676экс04,23-4,330,94-0,9563,9-64,60,66-0,67<1,8Расхождение результатов численного моделирования с экспериментом подавлению в КС составляет менее 6%. Приведенные данные свидетельствуют обудовлетворительном согласовании расчетных и экспериментальных значений.Качественная оценка полученных в ходе численного моделирования данных по распределению температур и результаты экспериментальных данныхподтверждают достоверность разработанной математической модели. Полученные в численном моделировании зоны повышенных температур вблизи огневого днища и стенок камеры сгорания при работе на режиме №2 подтвердились оплавлением острой кромки юбки и крепежных элементов в ходе проведении экспериментов и появлением пятен уноса материала покрытия со стенокКС (рисунки 14,15).Рисунок 14.

Состояние юбки при рабочем режиме №2(справа) и распределение температур газа вблизи огневого днища19Рисунок 15. Стенки камеры сгорания при рабочем режиме №2(справа) иполе распределения температур газа вблизи стенки КСМоделирование горения в КС с Lпр=0,463м для режима №3 указало наналичие пятна высокотемпературных газов вблизи критического сечения. Вэкспериментах с использованием такой КС и юбки конструкции №1 обнаруженунос материала в области критического сечения КС (рисунок 16).Рисунок 16. Результаты численного и натурного эксперимента двигателя(Lпр=0,463м) на режиме подачи компонентов №3В ходе проведения экспериментов наблюдался вход скачка уплотнения всопло, так как двигатель работал нарежимах с давлением в КС (pк˂ 1 МПа)нижерасчетного.Положение скачкауплотненияобнаружено в ходе численного моделирования (рисунок 17).Дополнительнымхарактерным качественным признакомудовлетворительного согласованиярезультатовчисленного и натурногоэкспериментов стало наличие на кромкахРисунок 17.

Скачок уплотненияюбокповторяюв сопле20щихся пятен перегрева и потемнения материала (рисунок 18). Указанные местаперегреванаходятся напротив входных каналов завесы. Видимо здесьобразовываются зоны с соотношением компонентов,близким кстехиометрическому, при смешении восстановительного ядра и кислорода,идущего по каналам завесы.а)б)в)Рисунок 18. Пятна перегрева на юбке (выделены красным):а) юбка, вид со стороны КС; б) юбка, с четырех сторон;в) распределение температур по расчетной областиОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ1.Разработана математическая модель и методика моделирования рабочих процессов в смесительной головке и камере сгорания РДМТ с использованием газообразного кислородно-метанового топлива в трехмерной постановке на базе пакета ANSYS CFX.