Метод проектирования баллона с криогенной заправкой двигательных установок летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Шиманова Александра Борисовна

• Шиманова Александра Борисовна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Шиманова Александра Борисовна

Введение

Глава 1. Современные системы хранения криогенных продуктов и их области применения

1.1 Современное состояние развития криогенных систем

1.2 Криогенные системы топливапитания для авиационных двигателей

1.3 Криогенные топливные системы на железнодорожном транспорте

1.4 Криогеные системы обеспечения работы ракетных двигателей в двигательных установках различного назначения

1.5 Классификация газовых баллонов высокого давления

1.6 Классификация резервуаров для криогенных жидкостей

1.7 Ёмкости, предназначенные для нахождения в них сжатых и сжиженных газов

1.8 Баллон с криогенной заправкой

Выводы по главе

Глава 2. Постановка задачи и методика расчёта параметров в баллоне с криогенной заправкой (БКЗ)

2.1 Физико-математическая модель процессов в БКЗ

2.1.1 Моделирование процессов в газовой полости

2.1.2 Моделирование процессов в жидкостной полости

2.2 Алгоритм расчёта параметров в БКЗ

2.3 Программная реализация и результаты расчета

2.4 Влияние массопереноса в газовой полости

Выводы по главе

Глава 3 Экспериментальные исследования процессов в баллоне с криогенной заправкой на основе энергетической установки

3.1 Цели и задачи эксперимента. Описание экспериментальной установки

3.2 Подготовка и проведение испытаний баллона с криогенной заправкой на

базе энергетической установки

2

3.3 Обработка результатов испытаний баллона с криогенной заправкой

3.4 Анализ результатов испытаний баллона с криогенной заправкой

3.5 Определение погрешностей термодинамических параметров в БКЗ в ходе эксперимента

3.6 Оценка энергетического потенциала регазифицированного рабочего тела для получения энергии на примере роторно-лопастного двигатель-генератора

Выводы по главе

Глава 4. Расчетные исследования конструктивных параметров БКЗ и его применение в аэрокосмической технике

4.1 Влияние конструктивных параметров БКЗ на рабочие и временные характеристики

4.2 Оценка влияния напряжённого состояния БКЗ на циклическую долговечность с учётом термоудара

4.3 Применение БКЗ в двигательных установках космических летательных апаратов

4.4 Криогенные системы наземных стартовых ракетных комплексов

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод проектирования баллона с криогенной заправкой двигательных установок летательных аппаратов»

Актуальность темы исследования.

Бортовые энергетические комплексы летательных аппаратов (ЛА) в своем составе содержат системы хранения и подачи рабочих тел к двигательным установкам (ДУ) и устройствам, обеспечивающим движение, ориентацию, коррекцию и выполнение других функций как самого летательного аппарата, так и присоединенных к нему изделий.

В космических ЛА кроме высококипящих топлив используются также и криогенные жидкости. В электроракетных двигательных установках (ДУ) используются различные рабочие тела. Это может быть твёрдые тела (например, тефлон), жидкости типа аммиака (КН3), инертные газы (ксенон -Хе). Водород (Н2) и кислород (02) в криогенно-жидком состоянии могут использоваться как в основной, так и во вспомогательных ДУ. Так же на борту могут находиться азот (N2), гелий (Не) и другие вещества в различных фазовых и температурных состояниях. Вполне очевидно, что наиболее выгодным как для наземных, так и для космических условий будет хранение рабочих тел в криогенно жидком состоянии. Это объясняется компактностью криогенной жидкости, с одной стороны, и сравнительно низким уровнем давления (до 0,5 МПа) в ёмкости, что делает её значительно легче по сравнению с баллонами высокого давления.

Вместе с этими очевидными преимуществами для функционирования различных систем и ДУ сохраняются требования к параметрам по фазовому состоянию, давлению и температуре рабочего тела. Так, в системах вытеснения (продувок) рабочее тело должно быть только в газообразном состоянии. Для газового ракетного двигателя малой тяги, работающего, например, на газообразном азоте, последний должен иметь соответствующие давление и температуру, при этом он должен быть предварительно регазифицирован. Такие же требования предъявляются и к ксенону для электроракетной ДУ.

Предлагаемая в настоящем диссертационном исследовании ёмкость с криогенной заправкой совмещает в себе функции регазификатора,

4

термокомпрессора и аккумулятора давления. Наличие нескольких таких ёмкостей в бортовых системах может обеспечить порционную перекачку криогенной жидкости из основного хранилища, её регазификацию, хранение газообразного продукта под высоким давлением и использование сжатого газа в любой момент времени. Так как ёмкость по конечным параметрам является сосудом высокого давления, то далее это устройство будет именоваться как баллон с криогенной заправкой (БКЗ). Предварительные исследования БКЗ показали его перспективность как универсальной ёмкости, способной заправляться как компримированием, так и заливкой крипродуктом. Однако, новизна объекта исследования, сложность теплофизических процессов, отсутствие аналогов и ожидаемая перспективность делает его изучение необходимым и актуальным.

Степень разработанности темы исследования

Теоретические основы теории двухфазных криогенных систем, разработанные и реализованные такими научными школами, как московские вузы МЭИ и МГТУ им. Баумана, а также опытно-конструкторскими организациями - НТК «Криогенная техника» (г. Омск), НПО «Криогенмаш» (г. Балашиха, МО), НПО «Гелиймаш» (г. Москва), АО «НИИМАШ» (г. Нижняя Салда) и др., позволили нашей стране находиться на современном уровне достижений в этом научном направлении. В развитие криогеники и, в частности, ракетной техники большой вклад внесли такие отечественные учёные как Архаров А.М., Архаров И.А., Афанасьев В.А., Бродянский В.М., Грезин А.К., Григоренко Н.М., Гороховский Г.А., Журавлев А.М., Загорученко В.А., Карагусов В.И., Кунис И.Д., Малков М.П., Меркулов А.П., Микулин Е.И., Могорычный В.И., Новотельнов В.Н., Прусман Ю.О., Сычев В.В. Суслов А.Д., Филин Н.В. и др. В практическом плане достижения в криогенной технике были реализованы в Лунной программе середины прошлого столетия, а также при создании космической системы «Энергия-Буран». В настоящее время отечественные ракетоносители используют жидкий кислород. Как наземные, так и бортовые криогенные системы отработаны и надёжно эксплуатируются.

Вместе с этим следует отметить, что бурное развитие космической техники, освоение Луны и дальнего космоса требует создания новых перспективных криогенных систем как специального, так и общего (наземные комплексы) назначения. В качестве такой перспективной разработки и предлагается баллон с криогенной заправкой (БКЗ), исследованиями которого активно занимаются учёные кафедры теплотехники и тепловых двигателей Самарского университета Лукачев С.В., Бирюк В.В., Довгялло А.И., Угланов Д.А., Сармин Д.В.

Анализ показывает, что предварительные исследования ограничивались только одним аспектом применения - авиационной дроссельной системой охлаждения, а расчётная модель процесса в баллоне в упрощённом варианте учитывала только теплопроводность через прослойку газовой полости БКЗ. Более подробный анализ перспектив и областей применения выявил необходимость исследования процессов в БКЗ при наличии внешней изоляции на стенке баллона и её отсутствии, при различных толщинах стенки и объёме баллона. Также необходимым будет определение циклической долговечности БКЗ с учётом термоудара при обратных тепловых и силовых воздействиях на стенку баллона.

Таким образом, объективно необходимым становится знание поведения рабочего тела в БКЗ при его фазовом переходе (регазификации) с определением текущих параметров состояния, распределения фаз по полостям (остаток жидкой фазы) при наличии теплоизоляции либо её отсутствии для БКЗ с различными конструктивными особенностями.

Цель работы. Повышение эффективности топливных систем двигательных установок летательных аппаратов за счёт разработки метода проектирования баллона с криогенной заправкой, учитывающего влияние различных факторов на теплофизические процессы в баллоне, как в неравновесной двухфазной системе, и их нестационарность.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ современного уровня развития криогенного оборудования в области емкостей для хранения криогенных рабочих тел;

- обзор методик расчёта параметров состояния в двухфазных криогенных системах;

- усовершенствование математической модели расчета теплофизических процессов в БКЗ при регазификации криопродукта;

- разработка методики расчёта, алгоритма и программного продукта для моделирования процессов в БКЗ при различных начальных и граничных условиях;

- численное моделирование процессов по определению параметров и выявлению динамики их изменения в БКЗ для различных режимов;

- верификация методики на основе экспериментальных данных;

- исследование влияние конструктивных параметров БКЗ на параметрические и временные характеристики;

- определение циклической долговечности БКЗ с учётом термоудара при воздействиях низких температур и давления на стенку баллона.

Объектом исследования является моделирование теплофизических процессов в баллоне с криогенной заправкой.

Предметом исследования являются параметры рабочего тела и характеристики рабочего процесса в БКЗ

Научная новизна работы.

1. Усовершенствована математическая модель теплового состояния БКЗ, которая позволяет определять характеристики теплофизических процессов в БКЗ как в неравновесной двухфазной системе от момента заправки до полной регазификации рабочего тела с учётом нестационарности. Модель отличается тем, что она учитывает теплоёмкую массу стенок баллона, наличие или отсутствие внешних теплопритоков и их интенсивность, влияние массопереноса при реконденсации части газифицированного рабочего тела, обусловленное разностью температур стенки термоса и внутренней стенки БКЗ.

2. Разработана уточнённая методика расчёта теплофизических параметров рабочего тела в БКЗ во времени при различных начальных и граничных условиях с учётом конструктивных особенностей БКЗ. Методика отличается полнотой учёта факторов влияния на процесс, таких как изменение температуры стенки баллона, интенсивность внешних теплопритоков, наличие и отсутствие изоляции термоса, распределение масс газовой и жидкой фаз рабочего тела с учётом теплофизических свойств рабочего тела по фазам, их текущих значений во времени в зависимости от текущих параметров состояния.

3. Установлены теоретические и экспериментальные закономерности, позволяющие определять влияние внешних теплопритоков на теплофизические параметры рабочего тела и время его регазификации в БКЗ. На основе численного моделирования впервые определено влияние конструктивных параметров БКЗ (объём термоса, толщина стенки БКЗ, толщина изоляции термоса) на параметрические и временные характеристики.

4. Выявлены закономерности влияния напряжённого состояния БКЗ на циклическую долговечность с учётом термоудара при обратных тепловых и силовых воздействиях на стенку баллона.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость заключается в развитии методик расчёта двухфазных систем применительно к криогенным емкостям с переменными во времени параметрами рабочего тела.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты дают возможность создания и промышленного выпуска стандартизированного ряда универсальных баллонов, обеспечивающих как заправку компримированием, так и заправку криогенной жидкостью. При освоении технологии производства полученные данные, рекомендации и методика позволяют разработчикам уже на этапе проектирования обоснованно выбирать конструктивные решения, а при испытаниях более объективно регламентировать режимно-параметрические ограничения.

Методы исследования. Решение поставленных в диссертационной работе задач осуществлялось с применением методов математического анализа, численных методов решения задач, методов математического моделирования и физического эксперимента. Важными аспектами методологии исследования являлись основные положение и методы термодинамики и теории теплообмена. В качестве вычислительного инструментария использовались программные продукты Embarcadero Delphi, MasterSCADA, MATLAB. Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании кафедры теплотехники и тепловых двигателей Самарского университета.

Положения, выносимые на защиту

- усовершенствованная математическая модель теплового состояния БКЗ для определения характеристики теплофизических процессов в БКЗ как в неравновесной двухфазной системе от момента заправки до полной регазификации рабочего тела с учётом нестационарности;

- уточнённая методика расчёта теплофизических параметров рабочего тела в БКЗ во времени при различных начальных и граничных условиях с учётом конструктивных особенностей БКЗ;

- установленные теоретические и экспериментальные закономерности, позволяющие определять влияние внешних теплопритоков на теплофизические параметры рабочего тела и время его регазификации в БКЗ;

- оценка влияния конструктивных параметров БКЗ (объём термоса, толщина стенки БКЗ, толщина изоляции термоса) на параметрические и временные характеристики;

- оценка влияния напряжённого состояния БКЗ на циклическую долговечность с учётом термоудара при обратных тепловых и силовых воздействиях на стенку баллона.

Достоверность полученных результатов обеспечивается сходимостью результатов численного моделирования с экспериментальными данными, применением аттестованных измерительных средств, оценкой погрешностей измерений, применение сертифицированного ПО.

9

Апробация результатов исследований. Основные результаты работы докладывались на ряде всероссийских и международных конференциях:

Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», 2014 г., 2016 г., 2021 г., Самарский университет, г. Самара; VI, VII Международные научно-технические конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 2013г.,2015г. СПбГУНиПТ, Университет ИТМО. г. Санкт -Петербург;

XII, XIV Королёвские чтения, 2013 г., 2017 г., Самарский университет, г. Самара;

XV Минский международный форум по тепло- и массообмену, 2016 г., г. Минск, Беларусь;

2017 International Conference on Environmental, Industrial and Energy Engineering, EI2E 2017, Shanghai, 19 October 2017 - 22 October 2017 (2017 Международная конференция по экологическому, промышленному и энергетическому инжинирингу, EI2E 2017, Шанхай, 19 октября 2017 - 22 октября 2017);

6th International Conference on Mechanical Engineering and Automation Science (ICMEAS), 29-31 Oct. 2020, Moscow, Russia;

International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), 6-9 Oct. 2020, Vladivostok, Russia.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы легли в основу выполнения государственного задания по проекту №FSSS-2020-2019, а также использованы в ООО «Югорский машиностроительный завод», ООО «НПЦ «Самара».

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 7 статей в периодических изданиях, включенных в список ВАК России, 5 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 2 патента на изобретение, 7 патентов на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего в себя 80 наименований. Работа содержит 138 страниц машинописного текста, 95 рисунков, 4 таблицы.

Глава 1. Современные системы хранения криогенных продуктов и их

области применения

1.1 Современное состояние развития криогенных систем Теоретические основы теории двухфазных криогенных систем, разработанные и реализованные такими научными школами, как московские вузы МЭИ и МГТУ им. Баумана, а также опытно-конструкторские организации - НТК «Криогенная техника» (г. Омск), НПО «Криогенмаш» (г. Балашиха, МО), НПО «Гелиймаш» (г. Москва) и др., позволили нашей стране находится на современном уровне достижений в этом научном направлении. В развитие криогеники и, в частности, ракетной техники большой вклад внесли такие отечественные ученые как Архаров А.М., Архаров И.А., Афанасьев В.А., Бродянский В.М., Грезин А.К., Григоренко Н.М., Гороховский Г.А., Журавлев А.М., Загорученко В.А., Карагусов В.И., Кунис И.Д., Малков М.П., Меркулов А.П., Микулин Е.И., Могорычный В.И., Новотельнов В.Н., Прусман Ю.О., Сычев В.В. Суслов А.Д., Филин Н.В. и др.

Недавние исследования в области криогенных резервуаров включают исследование усталости и характера разрушений криогенных материалов, применяемых в резервуарах для хранения СПГ для прибрежных судов [1], разработку эффективной динамической модели для прогнозирования и исследования сжиженного природного газа для наддува топливных баков в морских условиях [2], выбор материала резервуаров для хранения перспективных топлив, таких как водород [3]. Для существующих топливных баков одним из наиболее обсуждаемых вопросов является регулирование скорости образования выпарных газов [4-9]. Наличие паровой фазы в криогенных баках может привести к повышению внутреннего давления, поэтому его контроль и прогнозирование являются ключевыми аспектами конструкции топливных баков.

Математическое моделирование процессов, происходящих в криогенных топливных баках, сложно и требует точного составления многих уравнений.

Недавние исследования в этой области включают описание фазового перехода

12

метана [10], тепломассопереноса многокомпонентных газовых смесей в криогенных баках автомобильной техники [11], моделирование стационарных динамических процессов криогенной секции экспериментального газодизельного локомотива [12], поведение резервуаров СПГ, подвергающихся воздействию сильных источников тепла [13], и CFD-анализ взрывов резервуаров со сжиженным газом [14].

Особый интерес для текущих исследований представляет разработка новых типов криогенных топливных баков и усовершенствование существующих. В [15] авторы оптимизировали топливный бак для применения водорода в гражданской авиации. Авторы [16] попытались перепроектировать летательный аппарат для размещения водородного топлива с меньшей плотностью для самолетов различной дальности. В другой работе [17] учитываются теплопередачу в зависимости от состояния содержимого резервуара, свойств изоляционного материала, окружающей среды и размеров резервуара. Другая концепция хранения топлива без перехода его в жидкое состояние представлена в [18]. Применение водородного бака для танкера с оценкой перспективности конструкции было представлено в [19]. CFD-анализ тепловых характеристик резервуара для хранения водорода был представлен в [20].

Недавние исследования, связанные со сжиженным природным газом, включают выбор эффективных теплоизоляционных материалов для резервуаров для сжиженного природного газа [21], метод оптимального размещения резервуара в большегрузном карьерном самосвале [22], применение композиционных материалов [23] и бетона [24] в резервуарах для хранения сжиженного природного газа.

1.2 Криогенные системы топливапитания для авиационных двигателей

С начала 70-х годов на протяжении двадцати лет ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова проводил поиск возможности использования криогенного авиационного топлива (водорода и сжиженного природного газа). В конце 70-х

годов к этим работам подключился АНТК им. А.Н.Туполева. Совместные исследования подтвердили, что наиболее перспективным энергоносителем является жидкий водород. Этот энергоноситель, по убеждению обеих фирм, будет использоваться не только на всех видах наземного, водного и воздушного транспорта, но и в стационарных энергоблоках, что постепенно приведет к экологической очистке атмосферы. Однако путь этот труден и требует помимо теоретической и экспериментальной подготовки развертывания широкой инфраструктуры. Что касается ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова и АНТК им. А.Н.Туполева, то, выбирая авиационное топливо будущего, они ориентировались на жидкий водород и, как промежуточный этап, - на сжиженный природный газ.

Применение на самолетах в качестве топлива сжиженного природного газа (СПГ) является, безусловно, промежуточным этапом в создании «криогенной» авиации. В некоторых странах, в том числе и России, запасы природного газа значительно больше, чем природные запасы нефти. Он дешевле нефтяного топлива, особенно в северных и восточных районах. Кроме этого, более высокая этого криопродукта по сравнению с жидким водородом облегчает размещение газовых топливных баков на самолете. Более высокая температура СПГ упрощает задачу тепловой защиты.

При создании самолетов, использующие криогенные топлива имеются общие проблемы для СПГ и жидкого водорода. Они решаются аналогичным образом для обоих топлив. Поэтому при создании самолетов на СПГ значительное количество принципиальных и конструктивных решений будет использовано для «водородных» самолетов. К общим проблемам можно отнести создание принципиальной схемы криогенной системы топливопитания (рисунок 1), способ обеспечения взрыво- и пожаробезопасности, способ управления процессами в криогенной системе, контроль утечек топлива, работу насосов, способ поддержания необходимого давления в баках, способ утилизации топливного пара, способ привода запорной арматуры, обеспечения запуска и питания двигателя, способ заправки криогенным топливом,

длительное бездренажное хранение. Поэтому разработка, создание и эксплуатация самолета Ту-155 на СПГ существенно упростила работы по дальнейшему использованию в качестве топлива жидкого водорода [25].

Это требует создания новых топливных емкостей и систем заправки, разработки новых нормативов и инструкций по эксплуатации. Возможное применение СПГ, как в качестве основного топлива, так и в качестве добавки к углеводородным топливам, также требует создания емкостей для его содержания.

Рисунок 1.1 - Пневмогидравлическая схема системы топливопитания и регулирования

двигателя НК-88

Вопрос о необходимости газификации криогенных топлив перед подачей их в камеру сгорания нашел отражение в работах Н.Д. Кузнецова, В.Н. Орлова [26], а также в совместной работе ОАО СНТК им. Н.Д.Кузнецова с АНТК им. А.Н Туполева по созданию экспериментальных самолета и двигателя на кригенном топливе. Опыт, приобретенный в процессе работы с двигателями НК-88, работавшим на жидком водороде и НК-89, работавшим на СПГ, позволил сделать заключение, что особенно остро вопрос о необходимости

газификации стоит при употреблении жидкого водорода. Газификация жидкого водорода является необходимым условием нормальной работы двигателя.

Вопрос о газификации СПГ требует проведения еще одного цикла исследований с имитацией высотно-скоростных условий полета. На двигателе НК-89 в условиях работы на земле были проведены первые экспериментальные исследования подачи в камеру сгорания жидкого СПГ, которые показали, что при определенных ограничениях работать на жидком СПГ возможно. Однако, эти первые экспериментальные работы не могут служить основанием для отказа от газификации, так как при работе двигателя на режимах от малого газа до 0,6 от номинального, то есть при расходах СПГ значительно меньших номинального, двигатель работал неустойчиво.

При создании и исследовании авиационных газотурбинных двигателей, работающих на криогенном топливе, возможны две принципиальные схемы подачи его в камеру сгорания: жидкостная, когда криогенное топливо поступает в форсунки камеры сгорания в жидком состоянии, и схема с подачей топлива в камеру сгорания в газообразном состоянии.

Проблема выбора системы топливопитания (агрегатное состояние криогенного топлива перед форсунками камеры сгорания) заключается в том, что криогенное топливо необходимо доставить к форсункам камеры сгорания в таком агрегатном состоянии, которое обеспечило бы получение заданного профиля по радиусу и в окружном направлении температурного поля на выходе из камеры сгорания перед турбиной. Этот вопрос наиболее сложный, может иметь, в добавок, разные решения для жидкого водорода иСПГ. Когда топливо подается к форсункам в одном агрегатном состоянии либо в виде жидкости, либо в виде газа, во всем диапазоне работы двигателя от земли до высотно-скоростных характеристик задача для камеры сгорания упрощается. Но при появлении перед форсунками двухфазного состояния (жидкость + газ) в процесс сгорания вносится неопределенность, что сильно усложняет получение необходимого профиля температурных полей. Двухфазность топлива перед форсунками определяется и изменением теплофизических параметров

криогенных топлив по температуре и давлению и особенно от величины критического давления. Стоит отметить, что начав работать с жидким водородом, быстро убедились в необходимости его газификации. При подаче жидкого водорода к форсункам, в условиях неорганизованного теплообмена в топливном коллекторе камеры и крайне узкого температурного диапазона устойчивости жидкой фазы водорода, не представляется возможным обеспечение равномерного расхода водорода по форсункам. Поэтому возникает необходимость фазовой стабилизации, что обеспечивается предварительной газификацией всего расхода водорода.

Конструктивно, на первый взгляд, наиболее простой представляется подача водорода в камеру сгорания в жидком состоянии, то есть с докритической температурой и при давлении перед форсунками камеры сгорания выше давления на границе перехода жидкость-пар. На примере выбора схемы подачи жидкого водорода двигателя НК-88 (рисунок 2) рассматривается, что для этого потребуется. На режиме малого газа двигателя НК-88 давление в камере сгорания 2 кгс/см2 и расход водорода 0,085 кг/с. На этом режиме насос по экспериментальным данным подает жидкий водород с температурой 25 К, с давлением 7...8 кгс/см2. В этом случае на границе жидкость-пар для водорода давление равно 4 кгс/см2.

Этот минимальный перепад давлений можно использовать на форсунках, чтобы получить впрыск жидкого водорода в камеру сгорания. Естественно, при увеличении режима работы двигателя до взлетного с расходом жидкого водорода 0,607 кг/с и сохранений квадратичной зависимости перепада давления от расхода, максимальный перепад давлений на форсунках для подачи жидкого водорода в камеру сгорания будет 102 кгс/см2.

Рисунок 1.2 - Схема газификации жидкого криопродукта в двигателе

17

Это абсолютно нереально с точки зрения надежности и мощности насоса. Можно рассматривать применение регулируемых по перепаду давления форсунок, но это слишком усложнит конструкцию и потребует специальной системы регулирования форсунок.

Для газификации криогенного топлива перед подачей их в камеру сгорания двигателя обычно используется схема с газификацией в специальном теплоообменнике (рисунок 3). Потребные давления за насосом в этом случае в 2.3 раза ниже, чем в жидкостной схеме. При этом не требуется идеальной изоляции линии подачи топлива в камеру сгорания, так как переход криогенного топлива из одного фазового состояния в другое осуществляется в газификаторе.

Рисунок 1.3 - Возможные варианты расположения теплообменника для газификации криопродукта перед подачей в камеру сгорания Конечно, система газификации имеет и свои недостатки:

• теплообменник увеличивает вес двигателя и является еще одним агрегатом двигателя, создающим условия по снижению надежности двигателя;

• появляются потери давления греющего теплоносителя, что ухудшает удельные параметры двигателя;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шиманова Александра Борисовна, 2022 год

Список литературы

1. Kim, T.Y. Fatigue and Fracture Behavior of Cryogenic Materials Applied to LNG Fuel Storage Tanks for Coastal Ships [Electronic resource] / T.Y Kim, S.W. Yoon, J.H. Kim, M.H. Kim. // Metals 2021. - 2021. - №11. -URL: https://doi.org/10.3390/met11121899

2. Wang, C. Dynamic modeling and analysis of LNG fuel tank pressurization under marine conditions [Electronic resource] / C. Wang, Y. Ju, Y. Fu // Energy. - 2021. - Vol. 232. - URL: https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121029

3. Wang, Z. A review of metallic tanks for H2 storage with a view to application in future green shipping [Electronic resource] / Z. Wang, Y. Wang, S. Afshan, J. Hjalmarsson // International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - Vol. 46, Iss. 9. - P. 6151-6179. - URL: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.11.168

4. Al Ghafri, S. Z. S. Advanced boil-off gas studies of liquefied natural gas used for the space and energy industries [Electronic resource] / S. Z. S. Al Ghafri, A. Swanger, K. H. Park, V. Jusko, Y. Ryu, S. Kim, E. F. May // Acta Astronautica. - 2022. - Vol. 190. - P. 444-454. - URL: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.10.028

5. Perez, F. Measurements of boil-off gas and stratification in cryogenic liquid nitrogen with implications for the storage and transport of liquefied natural gas [Electronic resource] / F. Perez, S. Z. S. Al Ghafri, L. Gallagher, A. Siahvashi, Y. Ryu, S. Kim, E. F. May // Energy. - 2021. - Vol. 222. - URL: https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119853

6. Lee, D. -H. Practical prediction of the boil-off rate of independent-type storage tanks [Electronic resource] / D. -H. Lee, S. -J. Cha, J. -D. Kim, J. -H. Kim, S. -K. Kim, J. -M. Lee // Journal of Marine Science and Engineering. - 2021. -Vol. 9, Iss. 36. - URL: https://doi.org/10.3390/jmse9010036

7. Al-Breiki, M. Comparative cost assessment of sustainable energy carriers produced from natural gas accounting for boil-off gas and social cost of carbon [Electronic resource] / M. Al-Breiki, Y. Bicer // Energy Reports. - 2020. -Vol. 6. - P. 1897-1909. - URL: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.07.013

8. Wlodek, T. Analysis of boil-off rate problem in liquefied natural gas (LNG) receiving terminals [Electronic resource] / T. Wlodek // IOP Conference

Series: Earth and Environmental Science. - 2019. - Vol. 214. - URL: https://doi.Org/10.1088/1755-1315/214/1/012105

9. Kwak, D. -H. Energy-efficient design and optimization of boil-off gas (BOG) re-liquefaction process for liquefied natural gas (LNG)-fuelled ship [Electronic resource] / D. -H. Kwak, J. -H. Heo, S. -H. Park, S. -J. Seo, J. -K. Kim // Energy. - 2018. - Vol. 148. - P. 915-929. - URL: https://doi.org/10.1016/ienergy.2018.01.154

10. Didmanidze, O. N. Mathematical model of the liquefied methane phase transition in the cryogenic tank of a vehicle [Electronic resource] / O. N. Didmanidze, A. S. Afanasev, R. T. Khakimov // Journal of Mining Institute. -2020. - Vol. 243. - P. 337-347. - URL: https://doi.org/10.31897/pmi.2020.3.337

11. Didmanidze, O. N. Heat and mass transfer of multicomponent gas mixtures in cryogenic tank of automotive equipment [Electronic resource] / O. N. Didmanidze, A. S. Afanasyev, R. T. Khakimov // Journal of Physics: Conference Series. - 2020. - Vol. 2061. - URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2061/1/012024

12. Volkov, I. V. Modeling of the cryogenic section's dynamics of an experimental gas-diesel locomotive [Electronic resource] / I. V. Volkov, Y. P. Bulavin, V. V. Shapovalov, O. A. Voron, A. A. Demyanov // International Journal of Applied Engineering Research. - 2017. - Vol. 12. - P. 1188511890. - URL: https://www.ripublication.com/ijaer17/ijaerv12n22_16.pdf

13. Iannaccone, T. Numerical simulation of LNG tanks exposed to fire [Electronic resource] / T. Iannaccone, G. E. Scarponi, G. Landucci, V. Cozzani // Process Safety and Environmental Protection. - 2021. - Vol. 149. - P. 735-749. -URL: https://doi.org/10.1016/ipsep.2021.03.027

14. Ustolin, F. A CFD analysis of liquefied gas vessel explosions [Electronic resource] / F. Ustolin, I. C. Tolias, S. G. Giannissi, A. G. Venetsanos, N. Paltrinieri // Process Safety and Environmental Protection. - 2022. - Vol. 159. - P. 61-75. - URL: https://doi.org/10.1016/ipsep.2021.12.048

15. Huete, J. Parametric study on tank integration for hydrogen civil aviation propulsion [Electronic resource] / J. Huete, P. Pilidis // International Journal of Hydrogen Energy. - 2021. - Vol. 46. - P. 37049-37062. - URL: https://doi.org/10.1016/iiihydene.2021.08.194

16. Rompokos, P. Synergistic technology combinations for future commercial aircraft using liquid hydrogen ship [Electronic resource] / P. Rompokos, A. Rolt, D. Nalianda, A. T. Isikveren, C. Senne, T. Gronstedt, H. Abedi. // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2021. - Vol. 143. - URL: https://doi.org/10.m5/L4049694

17. Rompokos, P. Cryogenic fuel storage modelling and optimisation for aircraft applications [Electronic resource] / P. Rompokos, A. Rolt, T. Sibilli, C. Benson. // Proceedings of the ASME Turbo Expo. - 2021. - Vol. 6. - URL: https://doi.org/10.1115/GT2021-58595

18. Otto, M. A novel long-duration hydrogen storage concept without liquefaction and high pressure suitable for onsite blending [Electronic resource] / M. Otto, M. P. Sargunaraj, A. Riahi, J. Kapat // Proceedings of the ASME Turbo Expo. - 2021. - Vol. 6. - URL: https://doi.org/10.1115/GT2021-59393

19. Alkhaledi, A. N. F. N. R. A hydrogen fuelled LH2 tanker ship design. [Electronic resource] / A. N. F. N. R. Alkhaledi, S. Sampath, P. Pilidis // Ships and Offshore Structures. - 2021. - Vol. 1. - URL: https://doi.org/10.1080/17445302.2021.1935626

20. Senthil Kumar, S. Design and analysis of hydrogen storage tank with different materials by Ansys [Electronic resource] / S. Senthil Kumar, C. Bibin, M. Ramachandran // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. -2020. - Vol. 810. - URL: https://doi.org/10.1088/1757-899X/810/1/012016

21. Medvedeva, O. N. Selection of effective thermal insulation materials for a liquefied natural gas tanks [Electronic resource] / O. N. Medvedeva, S. D. Perevalov // Journal of Physics: Conference Series. - 2022. - Vol. 2096. -URL: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2096/L012049

22. Dubov, G. Method for installing cryogenic fuel tanks on the deck of BelAZ 7513 mining dump truck [Electronic resource] / G. Dubov, D. Trukhmanov, S. Nokhrin, A. Sergel // E3S Web of Conferences/ - 2020. - Vol. 174/ - URL: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017403016

23. Atli-Veltin, B. Cryogenic composite fuel tanks: The mechanical performance of advanced composites at low temperatures [Electronic resource] / B Atli-Veltin // AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. - 2018. - URL: https://doi.org/10.2514/6.2018-0099

24. Hjorteset, K. Development of large-scale precast, prestressed concrete liquefied natural gas storage tanks [Electronic resource] / K. Hjorteset, M. Wernli, M. W. La Nier, K. A. Hoyle, W. H. Oliver // PCI Journal. - 2013. -Vol. 58. - P. 40-54. - URL: https://doi.org/10.15554/pcij.09012013.40.54

25. Орлов, В. Н. Системы топливопитания и регулирования авиационных ГТД на криогенном топливе [Электронный ресурс] / В.Н. Орлов, Е.В. Шахматов, А.И. Иванов, И.П. Косицын, В.А. Букин, А.Г. Гимадиев. - М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). - Электрон. и граф. дан. - Самара, 2013. -300 с.

26. Андреев, В. А. Внимание: газы. Криогенное топливо для авиации [Текст] / В.А. Андреев, В.Д. Борисов, В.Т. Климов, В.В. Малышев, В.Н. Орлов. -М.: Моск. Рабочий, 2001. - 224 с.

27. Киржнер, Д. Л. Разработка и изготовление первого в мире магистрального грузового газотурбовоза, работающего на сжиженном природном газе [Электронный ресурс] / Д. Л. Киржнер, В. Ф. Руденко // Техника железных дорог. - 2008. - №3. - С. 49-53. - Режим доступа: http://ipem.ru/images/stories/Files/Docs/tzd3.pdf

28. Федорченко, Д. Г. Вехи СамГУПС: гибридная газотурбинная тяга поездов [Текст] / Д. Г. Федорченко, Ю. И. Цыбизов, И. К. Андрончев. -Самара: СамГУПС, 2020. - 130 с.

29. Букин, В. А. Структурная и параметрическая отработка топливной системы магистрального газотурбовоза с криогенным поршневым насосом и ресивером газа [Текст] / В. А. Букин, В. Ф. Руденко // Самара: Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов. Международн. научно-техническая конф. 28-30 июня 2011 г. -2011. - Ч. 2. - С. 187-189.

30. Каталог продукции АО «НИИМаш» [Электронный ресурс]. - 2020. -

Режим доступа: https://www.niimashspace.ru/files/2020/Katalog-NIIMash-2020 compressed.pdf

31. Салмин, В. В. Расчёт проектно-баллистических характеристик и формирование проектного облика межорбитальных транспортных аппаратов с электрореактивной двигательной установкой с использованием информационных технологий: учеб. пособие / В. В. Салмин, А. С. Четвериков, М. Ю. Гоголев. - Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2019. - 196 с.

32. ГОСТ 949 - 73 Баллоны стальные малого и среднего объема для газов на Рр<19,6 Мпа (200 кгс/см2). Технические условия. - М. : Стандартинформ, 2008. - 19 с.

33. ГОСТ 12247-80. Баллоны стальные бесшовные большого объема для газов на 31,4 и 39,2 МПа (320 и 400 кгс/см). Технические условия. - М. : ИПК Издательство стандартов, 2002. - 11 с.

34. Лебедев, И. К. Высокопрочные облегченные баллоны высокого давления для систем управления и жизнеспособности гражданской авиации [Электронный ресурс] / И. К. Лебедев // Научный вестник МГТУ ГА. -2008. - № 134. С. 1-5.

35. Каталог продукции ООО «УЗГПО» [Электронный ресурс]. - 2022. -Режим доступа: https://uzgpo.com/product/ballony-949/

36. Каталог продукции ПАО «Криогенмаш» [Электронный ресурс]. - 2022. -Режим доступа: https://www.cryogenmash.ru/catalog/

37. Каталог продукции ОАО «НПО «Гелиймаш» [Электронный ресурс]. -2022. - Режим доступа: http:// geliymash.ru/production/

38. Каталог продукции АО «Уралкриомаш» [Электронный ресурс]. - 2022. -Режим доступа: http://www.cryont.ru/production/

39. Cryogenic tanks by Linde Engineering [Электронный ресурс]. - 2022/ -URL: https://www.lmde-engineering.com/en/plant-components/cryogenic-tanks/index.html

40. Филин, Н. В. Жидкостные криогенные системы [Текст]: справочник / Н. В. Филин, А. Б. Буланов. - Л. : Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985. - 247 с.

41. Архаров, А. М. Криогенные системы стартовых ракетно-космических комплексов [Текст] / А. М. Архаров, И. Д. Кунис; под ред. И. В. Бармина. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2006. - 252 с.

42. The United States Patent and Trademark Office (USPTO) [Electronic resource]. - 2022. - URL: https://www.uspto.gov

43. European Patent Office (EPO) [Electronic resource]. - 2022. - URL: https://www.epo.org/

44. World Intellectual Property Organization (WIPO) [Electronic resource]. -2022. - URL: https://www.wipo.int/portal/en/index.html

45. База данных Федерального института промышленной собственности [Электронный ресурс]. - 2022. - Режим доступа: https://www.fips.ru/

46. Пат. 2338118 Российская Федерация, МПК F 17 C 3/08. Емкость для криогенной жидкости [Текст] / Зашляпин Р. Ф., Черемных О. Я., Новоселов В. Ф., Овечкина Л. Н., заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Уралкриомаш», № 2007104445/06; заявл. 05.02.07; опубл. 10.11.08, Бюл. №31. - 8 с. : ил.

47. Pat. 2001/0019061 A1 US, B 65 D 1/42; B 65 D 6/34; B 65 D 8/08. Storage container for cryogenic liquids and methods of making same [Text]/ Erich Ettlinger, assignee Linde Aktiengesellschaft, № 09/790,556; filed: 23.02.01; publication date 06.09.2001. - p. 7.

48. Pat. 2013/190254 A2 WO, F 17 C 3/10. Storage vessel [Text]/ Jarrett Paul, applicant Linde Aktiengesellschaft, № PCT/GB2013/000262; application date 13.06.13; publication date 27.12.13. - p. 10.

49. Пат. 2042874 Российская Федерация, МПК F17C9/02. Кригенный газификатор [Текст] / Зашляпин Р. А., Чуприков А. Е., Лагутин В. И., Насибулин И. К., Синицын Е. Я., Кужильный А. И., Лазарчев В. П., заявитель и патентообладатель Уральский научно-производственный комплекс криогенного машиностроения, Российский научно-исследовательский институт горноспасательного дела, № 93001608/26; заявл. 11.01.93; опубл. 27.08.95. - 2 с. : ил.

133

50. A. с. 1640493 СССР, F17C9/02. Криогенный газификатор [Текст] / В. В. Мишин, О. П. Свиридов. - № 4438395; заявл. 08.06.88; опубл. 07.04.91, Бюл. № 13. - 2 с. : ил.

51. Пат. 2163699 Российская Федераци, МПК F17C 9/02. Топливный баллон [Текст] / Довгялло А. И., Лукачев С. В., Романов И. Г., Россеев Н. И., Цибизов Ю. И., заявитель и патентообладатель Самарский государственный аэрокосмический университет им.акад.С.П.Королева, № 99114577/06; заявл. 02.07.99; опубл. 27.02.01, Бюл. №6. - 4 с. : ил.

52. Довгялло, А. И. Имитационные испытания баллона с криогенной заправкой для дроссельной системы охлаждения и ее сравнительные характеристики [Текст] / А. И. Довгялло, Д. А. Угланов, С. О. Некрасова // Прикладная физика. - 2013. - №4. - С. 54-59

53. Ашихмина, Т. В. Использование емкости высокого давления с криогенной заправкой в качестве хранилища-регазификатора для автономных комплексов газоснабжения и железнодорожного транспорта [Текст] / Т. В. Ашихмина, Д. В. Сармин, Д. А. Угланов Д.А. // Вестник СГАУ. - 2011. - №5 (29). - С. 21-28

54. Довгялло, А. И. Предварительные исследования тепловых процессов в баллоне с гриогенной заправкой бортовой дроссельной системы [Текст] / А. И. Довгялло, Д. В. Сармин, Д. А. Угланов // Вестник СГАУ. - 2011. -№3 (27), Ч.4. - С. 78-84

55. Сармин, Д. В. Разработка методик расчета, проектирования и испытания баллона с криогенной заправкой для бортовой дроссельной системы охлаждения: дис. ... канд. тех. наук: 05.07.07 / Сармин Дмитрий Викторович. - Самара, 2013. - 160 с.

56. Пат. 170011 Российская Федерация, МПК F 17 C 9/02. Криогенный насос-газификатор [Текст] / Довгялло А. И., Угланов Д. А., Цапкова А. Б., Шиманов А. А., заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет

имени академика С.П. Королева», № 2016145710; заявл. 22.11.16; опубл. 11.04.17, Бюл. №11. - 5 с. : ил.

57. Пат. 207829 Российская Федерация, МПК F 17 C 9/02. Криогенный газификатор [Текст] / Угланов Д. А., Шиманова А. Б., Довгялло А. И., Шиманов А. А., Воротынцева К. Е., Сармин Д. В., Горшкалев А. А., заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», № 2021100240; заявл. 11.01.21; опубл. 18.11.21, Бюл. №32. - 6 с. : ил.

58. Пат. 2772307 Российская Федерация, МПК F 17 C 7/00, B 64 G 5/00. Система охлаждения ракетного топлива на стартовом комплексе [Текст] / Угланов Д. А., Шиманова А. Б., Довгялло А. И., Шиманов А. А., Сармин Д. В., заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», № 2021129507; заявл. 08.10.21; опубл. 22.05.22, Бюл. №14. - 8 с. : ил.

59. Исаченко, В. П. Темплопередача [Текст] / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. - М. : Энергия, 1975. - 486 с.

60. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей [Текст] / Н.Б. Варгафтик. - М.: Наука, 1972. - 716 с.

61. Embarcadero Delphi [Electronic resource]. - 2022. - URL: https://www.embarcadero. com/ru/products/delphi

62. Григорьев, В. А. Кипение криогенных жидкостей. [Текст] / В. А. Григорьев, Ю. М. Павлов, Е. В. Аметистов. - М., «Энергия», 1977. - 288 с.

63. Кафаров, В. В. Основы массопередачи. [Текст] / В. В. Кафаров. - М.: Высшая школа, 1979. - 439 с.

64. Богданов, С. И. Теоретические основы хладотехники. Тепломассообмен [Текст]: учебники и учеб. пособия для высш. учеб. завдений / С. И. Богданов, Н. А. Бучко, Э. И. Гуйко; под ред. Э. И. Гуйко. - М.: Агропромиздат, 1986. - 320 с.

65. MasterSCADA v. 3.10 [Электронный ресурс]. - 2022. - Режим доступа: https://insat.ru/products/?category=9

66. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика [Текст] / В. Е. Гмурман. - М : Высш. шк., 2005. - 478 с.

67. Заботин, В. Г. Теплотехнические измерения в двигателях летательных аппаратов [Текст]: учеб. Пособие / В. Г. Заботин, А. Н. Первышин. -Куйбыш. авиац. ин-т. - Куйбышев, 1990. - 67 с.

68. MATLAB [Electronic resource]. - 2022. - URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html

69. Бирюк, В. В. Энергетический баланс лазерной установки [Текст]: методические указания / В. В. Бирюк, А. И. Довгялло, А. П. Логашкин, Д. В. Сармин, Д. А. Угланов, Е. С. Чурсин. - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. - 25 с.

70. Василькин, А.А. Расчет напряженно-деформированного состояния стенки резервуара РВС10000 методом конечных элементов [Текст] / А. А. Василькин, А. Д. Колосков // Долговечность строительных материалов и конструкций. Материалы научно-практ. конф. -Саранск. Изд-во Мордов. ун-та. - 2005. - с. 108-114.

71. Лукьянцев, М.А. Оценка остаточного ресурса резервуаров при малоцикловом нагружении [Электронный ресурс] / М. А. Лукьянцев, Р. Г. Вильданов, Р. Р. Исхаков // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - Режим доступа: https://elibrary.ru/download/elibrary 21162583 55772836.pdf

72. Зинин, А. В. Термоциклическая прочность жаропрочного сплава и кинетика накопления повреждений при наложении вибрационных нагрузок [Текст] / А. В. Зинин, Н. Г. Бычков, А. В. Першин, Авруцкий

В.В., Смирнова Л.Л. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2017. - №2. - с. 53-55.

73. Цой, П. В. Методы расчёта задач тепломассопереноса [Текст] / П. В. Цой. - М. : Энергоатомиздат, 1984. - 416 с.

74. Довгялло, А. И. Оценка термоциклической прочности в топливном баллоне с криогенной заправкой [Текст] / А. И. Довгялло, Д. А. Угланов, Т. В. Ашихмина // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2007. - № 2. - с. 83-86.

75. ГОСТ 25859-83. Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках. - М. : ИПК Издательство стандартов, 1985. - 36 с.

76. ГОСТ 14249-80. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. - М. : ИПК Издательство стандартов, 1980. - 64 с.

77. Александров, А. А. Охлаждение ракетного топлива стартовым оборудованием с применением жидкого азота [Текст] / А. А. Александров, О. Е. Денисов, А. В. Золин, В. В. Чугунков // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2013. - № 4. - С. 24-29.

78. Пат. 2767405 Российская Федерация, МПК В 64 О 5/00. Система заправки ракеты жидким кислородом [Текст] / Д. А. Угланов, А. Б. Шиманова, А. И. Довгялло, А. А. Шиманов, Д. В. Сармин, заявитель и патентообладатель федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева», № 2020125995; 30.07.20; опубл. 31.01.22, Бюл. №4. - 7 с. : ил.

79. Довгялло, А. И. Повышение эффективности криогенных систем стартовых ракетно-космических комплексов за счет использования низкотемпературной энергии криопродуктов [Текст] / А. И. Довгялло, Д. А. Угланов, А. Б. Шиманова // Насосы. Турбины. Системы. - 2020. -№3(36). - С. 64-71.

80. Shimanova, A. B. Increasing the Efficiency of the Cryogenic Fuel Storage System through the Use of a Universal Gas Cylinder [Electronic resource] / A. B. Shimanova, D. A. Uglanov, D. A. Sarmin, A. A. Shimanov, E. A. Marakhova // 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2020. - 2020. - URL: https://doi.org/10.1109/FarEastCon50210.2020.9271412