Расчетно-экспериментальное исследование характеристик выхлопного диффузора с центральным телом в составе высотного стенда для наземной отработки жидкостных ракетных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат наук Козаев, Алан Шотаевич

• Козаев, Алан Шотаевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Козаев, Алан Шотаевич

Оглавление Стр.

Список сокращений

Введение

Глава 1. Выхлопные диффузоры традиционного типа

1.1. Постановка проблемы

1.2. Подходы к проведению высотных испытаний

1.3. Схемы высотных стендов и их характеристики

1.4. Выхлопные кормовые диффузоры

1.5. Короткий цилиндрический диффузор

1.6. Способы повышения эффективности выхлопных диффузоров

1.7. Особенности диффузора с центральным телом

1.8. Сравнение всех типов диффузоров

1.9. Выводы по первой главе

Глава 2. Расчет геометрии и анализ возможности применения диффузора с центральным телом

2.1. Особенности диффузора с центральным телом

2.2. Область сопла - входного конуса

2.3. Геометрия горла диффузора

2.4. Методика расчета дозвукового диффузора

2.5. Инженерная методика расчета газодинамического контура диффузора с центральным телом

2.6. Выводы по второй главе

Глава 3. Расчетные исследования течения и характеристик диффузора с центральным телом

3.1. Газодинамический тракт исследуемой модели диффузора с ЦТ

3.2. Моделирование работы диффузора в программном комплексе «Р1о\уЗс1»

3.3. Выводы по третьей главе

Глава 4. Экспериментальные исследования течения и характеристик диффузора с центральным телом

4.1. Описание стенда

4.2. Конструкция диффузора

3 Стр.

4.3. Система измерения

4.4. Программа испытаний

4.5. Результаты экспериментальных исследований

4.6. Анализ результатов экспериментальных исследований

4.7. Сравнение экспериментальных результатов с расчетом и данными других авторов

4.9. Выводы по четвертой главе

Глава 5. Расчет диффузоров с центральным телом для испытаний натурных ЖРД

5.1. Диффузор с ЦТ для двигателя РД-0124А

5.2. Диффузор с ЦТ для РД-0146Д

5.3. Выводы по пятой главе

Основные выводы

Список литературы

Приложение

Список сокращений

РД - ракетный двигатель

ЖРД - жидкостной ракетный двигатель

РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе

КС - камера сгорания

ОСИ - огневые стендовые испытания

ПГС - пневмогидравлическая схема

ПС - продукты сгорания

РН - ракета - носитель

РБ - разгонный блок

ЛА - летательный аппарат

НРО - насадок радиационного охлаждения

ГДТ - газодинамическая труба

ЦТ - центральное тело

ГДФ - газодинамическая функция

ГГ - газогенератор

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное исследование характеристик выхлопного диффузора с центральным телом в составе высотного стенда для наземной отработки жидкостных ракетных двигателей»

Введение

Современные двигательные установки верхних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков, а так же космических ракетных двигателей снаряжаются сопловыми блоками со все большими степенями расширения. Целью рассматриваемого класса двигательных установок является достижение максимальной скорости летательного аппарата в конце его траектории, либо доставка максимально возможной массы полезной нагрузки на заданную орбиту. Основной характеристикой РД, отвечающей за достижение указанной цели, является его удельный пустотный импульс, повышать значение которого возможно за счет увеличения степени расширения сопла. В условиях работы первых ступеней на небольшом отдалении от уровня моря такое повышение эффективности ограничено физическими процессами из-за наличия пограничного слоя. Однако при удалении от поверхности земли, где уже работают вторые и третьи ступени, а так же космические ракетные двигатели, существует принципиальная возможность значительного увеличения удельного импульса при увеличении степени расширения сопла. В случае металлического насадка его расширение не всегда оправдывается из-за значительной массы конструкции. Однако в связи с широким внедрением композиционных материалов в структуру РД, в частности, в виде сопловых насадков радиационного охлаждения (НРО), степени расширения вновь разрабатываемых и модифицируемых РД увеличиваются.

Это, например, такие двигатели, как РД-0124А (14Д23) и РД-0146Д (Рисунок 1) разработки Конструкторского Бюро Химической Автоматики (ОАО КБХА). Геометрическая степень расширения сопла двигателя 14Д23 составляет: /а = 197,94. Его планируется использовать на третьей ступени РН «Союз-2», а так же на второй ступени (модификация РД-0124А) ракетно-космического комплекса «Ангара». Двигатель РД-0146Д в составе разгонного блока КВТК со стационарным и сдвижным насадками имеет геометрическую степень расширения _ст = 242,26 и = 473,65 соответственно. Так же в «КБХМ им.

А. М. Исаева» ведутся разработки двигателей посадочных модулей на другие планеты. Например, двигатель проекта «Луна-Глоб», имеющий геометрическую степень расширения fa « 262 и давление в камере сгорания рк = 4,5 МПа. В ОАО РКК «Энергия» на двигателе 11Д58М был внедрен насадок из композиционного материала, позволивший значительно улучшить массово-габаритные характеристики всей двигательной установки, увеличив степень расширения сопла до /ä = 298.

а б в

Рисунок 1.

Современные ЖРД верхних ступеней, разрабатываемые в РФ а - РД-0124А; б - РД-0146Д; в - 11Д58

Американский двигатель RL-60 (Рисунок 2), разработанный фирмой Pratt&Whitney, используется на верхней ступени ракеты-носителя Сатурн-1 и имеет большую степень расширения при давлении в КС 82,7 бар. Так же в настоящее время во Франции разрабатывается двигатель верхней ступени ракетоносителя Ариан Vinci (Рисунок 2), который имеет давление в камере сгорания рк =6,1 МПа, и геометрическую степень расширения сопла/а =240.

Рисунок 2.

Современные зарубежные ЖРД верхних ступеней а - RL-60; б - Vinci

Согласно «Положению о порядке создания, производства и эксплуатации (применения) ракетных и космических комплексов» (РК-11), перед принятием РД к работе необходимо проведение серии испытаний с целью определения его характеристик и показателей надежности. Отдельным видом испытаний являются высотные испытания двигателей, предназначенных для работы на вторых и третьих ступенях ракет, а так же в составе космических двигательных установок в условиях низкого давления окружающей среды (вакуума).

Современные высотные стенды представляют собой сложнейшие дорогостоящие сооружения, состоящие из множества структурных элементов (таких как газодинамическая труба (ГДТ), система эжекторов, холодильник, абсорбер, соединительные каналы и др.). Одним из основных элементов высотного стенда является выхлопной диффузор (Рисунок 3), который за счет эффекта эжекции самой струи истекающих ПС создает область разрежения в районе среза сопла. Таким образом частично обеспечиваются необходимые высотные условия (в частности безотрывный режим). Традиционные выхлопные диффузоры обладают рядом недостатков, среди которых ограничение по минимальному давлению в камере сгорания испытуемого двигателя, а так же большая длина (8-10 калибров среза сопла).

Диффузор

\ Камера сгорания

¡Скачки уплотнения

Рисунок 3.

Схема выхлопного диффузора

Несколько лет назад Российским Федеральным Космическим Агентством была сформулирована НИР: «Исследования и экспериментальная отработка основных узлов и агрегатов для обеспечения создания научно-технического задела по перспективным ракетным двигателям и бортовым энергоустановкам для изделий ракетно-космической техники». В общем объеме работ по выполнению данной НИР предлагается исследование схемы диффузора с центральным телом. Данная схема по предварительным оценкам позволяет снизить механические потери полного давления в системе, тем самым расширив круг двигателей, для которых возможно применение одних лишь кормовых диффузоров, или снизить мощность эжекторов, обеспечив запуск при более высоком давлении на срезе ГДТ. Так же диффузоры с кольцевой горловиной при той же относительной площади горла имеют значительно меньшую длину, что в условиях ограниченного пространства или многосопловой двигательной установки упрощает конструкцию стенда. Все это обеспечивает большую экономичность процесса доведения РД до состояния готового изделия с заданными показателями надежности. В связи с этим представляется актуальной работа по исследованию характеристик такого типа диффузоров и заключению о целесообразности их применения в составе современных высотных стендов.

Целью работы является уменьшение габаритов и улучшение газодинамических характеристик высотных стендов с выхлопными диффузорами для испытаний жидкостных ракетных двигателей за счет использования выхлопного диффузора с центральным телом.

Научная новизна работы заключается в том, что: • Разработана математическая модель газодинамических процессов и методика расчета газодинамического контура, режимных и геометрических

характеристик диффузора с ЦТ с учетом возможного положения и геометрии центрального тела.

• Получены распределения полей скоростей и давлений в газодинамическом тракте сопла, а так же зависимость давления запуска диффузора с ЦТ при различных положениях внедряемого ЦТ, значений показателя адиабаты рабочего тела и относительной длины горла диффузора.

• Получены характеристики теплового состояния диффузора и критериальная зависимость для расчета температуры стенок при изменении режимных параметров работы ЖРД.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основе проведенных исследований были разработаны схемы диффузоров с центральным телом для новых и в настоящее время разрабатываемых ЖРД (РД-0124А и РД-0146Д). В случае двигателя РД-0124А, состоящего из связки четырех камер, схема диффузора с ЦТ имеет значительно меньшие габариты. Для двигателя РД-0146Д в составе охлаждаемого сопла схема диффузора с ЦТ позволяет запустить сопло при номинальном давлении в КС 6 МПа без дополнительных откачивающих устройств.

Апробация работы проведена на Всероссийской научно-технической конференции «Студенческая научная весна 2012: Машиностроительные технологии», ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана, (Москва. 2012); на 11-й международной конференции «Авиация и космонавтика - 2012», МАИ, (Москва. 2012); научных семинарах кафедры Ракетных двигателей ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н. Э. Баумана и ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». Макет модели диффузора был представлен на XVI Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед», (Москва. 2011)

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Экспериментальная установка для исследования характеристик выхлопного диффузора с центральным телом применительно к ракетным двигателям. Н. Н. Волков, А. Ш. Козаев [и др.] // Вестник МГТУ им. Баумана. Серия Машиностроение. 2012. №4. С. 51-60. (0,32 пл / 0,25 пл)

2. Результаты экспериментального исследования характеристик выхлопного диффузора с центральным телом на продуктах сгорания твердого топлива.

Н. Н. Волков, А. Ш. Козаев [и др.] // Вестник МГТУ им. Баумана. Серия Машиностроение. 2014. №1. С. 36-45. (0,38 пл / 0,19 пл)

3. Ягодников Д. А., Козаев А. Ш., Волков Н. Н. Выхлопной диффузор с центральным телом для проведения высотных испытаний ЖРД. // Студенческая научная весна 2012: Сб. тезисов докл. научно-техн. конф-ии. М. 2012. Т. 12. Часть 3. С. 91-92. (0,1 пл / 0,1 пл)

4. Козаев А. Ш., Волков Н. Н. Расчетное исследование течения в выхлопном диффузоре с центральным телом. // Авиация и космонавтика - 2012: Тезисы докладов. 11-ая международной конференция. 13-15 ноября 2012 года. Москва. СПб. С. 103-104. (0,1 пл / 0,1 пл)

5. Исследования и экспериментальная отработка основных узлов и агрегатов для обеспечения создания научно-технического задела по перспективным ракетным двигателям и бортовым энергоустановкам для изделий ракетно-космической техники / ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». Исполнители Н. Н. Волков, Л. И. Волкова, А. Ш. Козаев [и др], Инв. № 5853 ДСП. 2012. 194 с. (6,8 пл / 5,3 пл)

6. Расчет и оптимизация газодинамического тракта РМ-8 отд. 301 НИО-9 для испытания изделия С5.154 / ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». Исполнители В. В. Миронов, Н. Н. Вожов, А. Ш. Козаев [и др], Инв. № 5620 ДСП. 2011.86 с. (2,5 пл / 2,9 пл)

7. Устройство для испытаний жидкостных ракетных двигателей: патент ЬШ№2449159 / А. М. Губертов, В. В. Миронов, Н. Н. Волков, Л. И. Волкова, И. Н. Гурина, А. Ш. Козаев заявл. 31.03.2011; опубл. 27.04.2012. Бюлл. №12.

Объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, двух приложений и содержит 128 страниц основного машинописного текста, 15 таблиц, 77 рисунков. Список литературы включает 61 наименование.

Автор считает своим долгом выразить благодарность за внимание, полезные обсуждения и помощь в работе своему научному руководителю д.т.н., профессору Ягодникову Д.А., консультанту в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» д.т.н., профессору Миронову В.В., а так же всему коллективу отделения 2 ГНЦ ФГУП «Исследовательский Центр им. М. В. Келдыша» и кафедре ракетных двигателей МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Глава 1. Выхлопные диффузоры традиционного типа

Проведение различных видов испытаний РД является неотъемлемой частью процесса их разработки, доведения до состояния готового изделия и прохождения приемно-сдаточных испытаний. Общим вопросам проведения испытаний, а так же диагностики ракетных двигателей посвящено большое количество литературы, например [1-4]. Высотные испытания (с имитацией высотных условий) являются неотъемлемым этапом в структуре комплексной программы экспериментальной отработки (КПЭО) двигателя. К настоящему времени получен обширный опыт по методам и средствам проведения высотных испытаний ракетных (а также, в общем случае, реактивных) двигателей. Работы [5, 6] посвящены данному вопросу. В них представлены данные (теоритические основы, математические модели и экспериментальные данные), на основе которых можно спланировать этап высотных испытаний, а также спроектировать высотный стенд. В [7] представлены данные по исследованию характеристик основного элемента высотных стендов - выхлопного диффузора или газодинамической трубы.

1.1. Постановка проблемы

Специфика работы двигателей верхних ступеней в условиях наземной работы состоит в том, что расчетное статическое давление на срезе сопла значительно меньше давления окружающей среды. В этом случае степень нерасчетности рн/ра может быть больше единицы, что также часто реализуется на практике, так как при полете летательного аппарата внешнее противодавление меняется. Расчетный режим работы двигателя таков, что статическое давление на его срезе совпадает с противодавлением только на определенной высоте, ниже нее продукты сгорания перерасширены, а выше - недорасширены. Проблемы возникают в тот момент, когда отношение рн/ра превышает некоторое критическое значение, в результате чего происходит отрыв пограничного слоя от стенки сопла и режим его работы изменяется. Проведенные в ряде работ [8-10] исследования влияния противодавления на характер распределения давления в

пограничном слое показали, что в момент, когда внешнее давление становится больше расчетного статического на срезе, отрыва не происходит. Однако, в этот момент профиль пограничного слоя по давлению начинает искажаться. Это искажение расчет с увеличением противодавления и лишь в момент, когда Рн/Ра > (Рн/Ра)кр происходит отрыв. На Рисунке 1.1 показаны профили пограничного слоя в случае наличия противодавления. Данные приведены для профилированного сопла с расчетным числом Маха на срезе возле стенки Маст =

Ю

3,5. Отрыв в этом случае наступает в момент —-— ~ 2,23.

Ра рассч

Рисунок 1.1.

Профили возмущенного пограничного слоя р0-полное давление в КС, р-статическое давление у станки сопла, х-расстояние от критического сечения вдоль оси, гкр-радиус критического сечения

В общем случае в условиях большой нерасчетности возникают следующие явления:

• изменение профиля давления в ламинарном подслое пограничного слоя в сравнении с расчетным значением;

• отрыв пограничного слоя от стенки сопла, сопровождающийся изменением структуры потока от места отрыва;

• затекание окружающего воздуха и продуктов сгорания в область отрыва и возникновение вихрей в месте отрыва;

• при большом противодавлении отклонение струи от осевого направления, и в некоторых случаях прилипание ее к стенке вниз по потоку.

В результате проявления этих физических эффектов значительно увеличивается коэффициент теплоотдачи в стенку в месте отрыва и происходит образование вихрей, а так же возникают поперечные нестационарные нагрузки в случае дальнейшего прилипания потока к стенке. Все это обычно приводит к разрушению сопла или всей двигательной установки. Так же в последнее время значительный интерес у исследователей вызывает «нетипиный» отрыв [11-12]. Его схема приведена на Рисунке 1.2.

Точка присоединения

Рисунок 1.2. Схема «нетипичного» отрыва потока в сопле

Указанные аспекты работы сопла при значительном противодавлении накладывают условия необходимости использования специальных устройств, позволяющих моделировать высотные условия без изменения режимов работы сопла и РД в целом. В частности, безотрывное течение ПС вдоль всего тракта сопла с номинальным распределением параметров вдоль стенки.

1.2. Подходы к проведению высотных испытаний

Все высотные испытания проводятся на специальных высотных стендах, которые отличаются как компонентами, так и степенью моделирования различных видов испытаний. Основными условиями подобия в данном случае

являются прочностные (идентичность силовых нагрузок на конструкцию сопла), тепловые (идентичность тепловых нагрузок с обеих сторон сопловой оболочки), газодинамические (распределение скоростей, давление и т. д. вдоль стенки сопла). Все эти условия взаимосвязаны как между собой, так и с конкретной конструкцией стенда, которая их обеспечивает. Зачастую нет необходимости создавать условия, абсолютно идентичные высотным. В некоторых случаях их просто не обеспечить. Поэтому рассматривая схему высотного стенда, нужно ставить ей в соответствие те условия подобия, которые она сможет воспроизвести. Так же двигательные установки больших степеней расширения, при которых во время работы в атмосфере возникает отрыв, не всегда испытывают в полноразмерном виде. Например, только несколько первых испытаний ЖРД 11Д58, имеющего радиационно-охлаждаемый насадок прототипа ЖРД 11Д58М, проводились с полным штатным соплом, т.е. с этим сопловым насадком, полностью помещенным в ГДТ. Затем все последующие испытания проводились и проводятся без этого соплового насадка, который пристыковывается к соплу уже после, т.е. перед полетом.

Существуют различные схемы фиксации положения отрыва скачка, либо искусственное создание определенной системы скачков внутри сопла так, чтобы разгрузить его механически и обеспечить идентичность тепловых нагрузок. Например, когда часть сопла охлаждается, а другая представляет собой радиационно-охлаждаемый насадок и требуется перенести зону максимальных тепловых нагрузок на охлаждаемую часть сопла. Для этого применяются различного рода вставки или насадки. В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» прорабатывалась различные возможные схемы для обеспечения работоспособности сопла, работающего с отрывом в условиях атмосферы [13-14]:

Рисунок 1.3.

Схемы защиты сопла а - вставка в сопло, фиксирующая место отрыва; б - профилированная вставка для предотвращения перерасширения потока; в - кольцевая вставка, предотвращающая отрыв потока в сопле; г - кольцевой щиток на срезе сопла, фиксирующий место отрыва

На Рисунке 1.3, а представлена схема вставки, которая фиксирует определенное место отрыва, тем самым позволяя более точно проводить пересчет измеренного удельного пустотного импульса на его истинные значения. На Рисунке 1.3, б указана схема вставки в сопло, предотвращающая перерасширение потока и, тем самым, не создавая предпосылок для его отрыва. На Рисунке 1.3, в показана кольцевая вставка, внешняя поверхность которой имеет такой профиль и расположена на таком расстоянии от внутренней поверхности сопла, что поток продуктов сгорания в этом кольцевом канале имеет большее давление, чем в штатных условиях и не оторвется от стенок сопла. На Рисунке 1.3, г представлено расположение на срезе сопла кольцевого наклонного щитка, фиксирующего место отрыва и предотвращающего затекание атмосферного воздуха в отрывную зону. Все эти варианты позволяют обеспечить работоспособность сопла в течение всего времени работы. Однако условия работы испытуемой камеры (такие как тяга, силовые нагрузки на обечайку сопла, подогрев рабочего тела в рубашке охлаждения и др.) нарушаются и цель испытаний необходимо корректировать.

Еще одним решением является методика испытания двигателя 14Д23 (РД 0124А) [15]. В связи с техническими трудностями создания связки из ГДТ на 4 камеры, они испытываются с отрывом. При этом во избежание прогара в область отрыва с помощью специальных коллекторов, находящихся в сопле, впрыскивается вода, а для предотвращения радиальных перегрузок камеры

закрепляются в специальной раме. Очевидно, что при таких искажениях в режиме работы камеры сложно имитировать штатные условия полета.

Рисунок 1.4. Схема впрыска воды в сопло

Приведенные выше примеры модернизации расширяющейся части сопел позволяют проводить испытания без отрыва потока ПС. Однако все они обусловливают изменения в режиме работы сопла. В результате таких испытаний трудно определить тяговые характеристики и удельный импульс испытываемого двигателя, а также воспроизвести условия теплового подобия и соответствующие номинальные нагрузки на огневую стенку сопла. Наиболее адекватное моделирование условий высотности можно реализовать за счет использования высотных стендов с газодинамическими трубами (ГДТ).

1.3. Схемы высотных стендов и их характеристики

В работе [6] на основе анализа современной стендовой базы была представлена схема возможных компоновок высотных стендов, приведенных на Рисунке 1.5.

2

5 1 2

7

3

7 6

а

1

У

1_ 2

\

3_ 12

8

в 13

г

I

У

/ 1 * * * *

9

• • • • !

11

и:

г ^

Рисунок 1.5.

Типовые схемы высотных стендов 1 - барокамера; 2 — испытуемый двигатель; 3 - к системе предварительного вакуумирования; 4 - шлюз; 5 - дополнительная вакуумная емкость; 6 - отбрасываемая

заглушка; 7 - выхлопной диффузор; 8 - холодильник (впрыск воды); 9 - слив; 10 -клапан-заслонка; 11 - к эксгаустерам; 12 - дополнительный эжектор; 13 - холодильник-

абсорбер-скруббер

а) Данный стенд представляет собой предварительно вакуумированную барокамеру 1 с помещенным внутрь двигателем 2. Струя продуктов сгорания истекает в барокамеру, тем самым повышая давление в ней. Масса израсходованного топлива ограничена условием тб < рб ■ ■ Гб (где рб _ допустимое давление в барокамере объема У^ при температуре ПС Тб) и, тем самым, ограничено время работы. Такие стенды могут применяться при отработке переходных режимов, воспламенения или сравнительно небольших двигателей (например, ЖРДМТ). Величина предварительно вакуумированного объема может быть увеличена с помощью дополнительно подключаемой емкости 5. Степень моделирования высотных условий в случае помещения всего двигателя в

барокамеру высока, так как весь сопловой блок находится в условиях низкого расчетного давления окружающей среды.

б) В данной компоновке стенда присутствует лишь кормовой диффузор. Давление разрежения в барокамере (за которую в данном случае считается область вокруг среза сопла, помещенная в диффузор) создается за счет эжекции окружающего воздуха (газа) самой струей продуктов сгорания и количественно во много определяется характером натекания границ струи ПС на стенку входной части диффузора. При этом для запуска диффузора необходим определенный уровень давления в КС двигателя. Степень имитации высотных условий здесь ограничена по минимальному давлению в камере сгорания, при котором происходит запуск диффузора.

в) В отличие от схемы (б) данная схема включает саму барокамеру, в которую помещен двигатель, что позволяет предварительно вакуумировать область барокамеры, тем самым имитируя условия высотности и в начальный период воспламенения. Степень имитации высотных условий здесь аналогична схеме (а), однако расход продуктов сгорания испытуемого двигателя может быть значительно больше.

г) Данная схема наиболее полная и предназначена для двигателей с большими степенями расширения, невысокими давлениями в КС и большим временем работы. Характерными тут являются следующие элементы: эжектор, эксгаустер (или другие откачивающие устройства) и холодильник-абсорбер-скруббер для охлаждения и конденсации продуктов сгорания. Все они значительно усложняют конструктивную схему и делают ее наиболее экономически затратной.

Практически во всех схемах стендов присутствует выхлопной диффузор. Он является первичным каналом, в котором происходит торможение сверхзвукового потока с восстановлением давления. Поскольку от степени эффективности диффузора зависит и дальнейшая компоновка стенда, рассмотрим основные виды выхлопных диффузоров и их основные характеристики.

1.4. Выхлопные кормовые диффузоры

Выхлопной кормовой диффузор, или газодинамическая труба (ГДТ) представляет собой в общем случае определенной длины цилиндрический канал, диаметром несколько большим диаметра среза сопла. Суть его работы заключается в том, что он изолирует область среза сопла, а точнее пограничный слой вблизи выходной кромки от внешней атмосферы, тем самым, исключая условия повышения давления на нем и отрыва потока ПС. При этом сама струя истекающих продуктов сгорания помогает поддерживать необходимое пониженное давление в районе среза сопла. Однако структура течения, развивающаяся в тракте ГДТ, обладает тем свойством, что из-за наличия скачков уплотнения, которые всегда сопровождают торможение сверхзвукового потока, происходит уменьшение полного давления струи. В результате получается так, что для того, чтобы в канале системы сопло + выхлопной диффузор существовал некий режим, который называется режимом запуска диффузора, требуется некоторое минимальное давление в КС двигателя. Если же давление ниже, то будет реализовываться другой режим, при котором в сопле все еще будет находиться зона отрывного течения. Преимущество применения ГДТ от вариантов, указанных выше состоит в том, что, он позволяя проводить испытания сопла в безотрывном режиме, обеспечивает реализацию тяговых характеристик, удельного импульса и теплового состояния стенки сопла, соответствующих близкому к номинальному режиму.

Большая работа по исследованию процессов в диффузорах и их экспериментальная отработка проводилась в НИИТП (ныне ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»). Основные результаты приведены в [16, 17]. В данных работах получен широкий спектр экспериментальных данных по различного вида диффузорам на воздухе, продуктах сгорания НДМГ+АК27, твердых баллиститных и смесевых топливах. Приведены данные по тепловым потокам в

стенку диффузора. Исследовано влияние давления в барокамере на профиль давления вдоль стенки вблизи среза сопла.

. Рассмотрим основные типы диффузоров - цилиндрический и профилированный с внутренним поджатием, физические процессы им характерные, а так же математические модели для их расчета.

1.4.1. Цилиндрический диффузор

Рабочий процесс, происходящий в канале данного типа, сводится к следующему: по мере роста давления в камере двигателя давление в барокамере плавно падает. Замыкающий скачок уплотнения движется по направлению к срезу сопла (Рисунок 1.6, а) до тех пор, пока в определенный момент все сопло не будет обтекаться безотрывным потоком (Рисунок 1.6, б). На Рисунке 1.7 показана характеристика диффузора, определяющая зависимость относительного давления в барокамере рб/рк от относительного давления в камере сгорания рк/рн- На этом рисунке момент безотрывного обтекания сопла показан точкой а. С увеличением давления в камере сгорания двигателя интенсивность скачка на срезе сопла уменьшается. Это происходит до тех пор, пока не устанавливается течение, показанное на Рисунке 1.6, в, при этом достигается некоторое критическое отношение давлений в скачке, образующемся в месте встречи границы струи со стенкой диффузора. На Рисунке 1.7 этот момент обозначен точкой б. При дальнейшем увеличении давления в КС происходит плавное увеличение давления в барокамере, примерно пропорциональное увеличению давления в КС; замыкающий скачек уплотнения при этом будет двигаться к выходу из диффузорного канала (Рисунок 1.6, г). При уменьшении давления в камере будет происходить процесс плавного обратного изменения всех параметров и всей картины течения в диффузоре (Рисунок 1.6, а).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козаев, Алан Шотаевич, 2014 год

Список литературы

1. Волков В.Т., Ягодников Д.А. Исследование и стендовая отработка ракетных двигателей на твердом топливе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 296 с.

2. A.B. Яскин. Конструкция и отработка ракетных двигателей на твердом топливе. Бийск. БТИ АлтГТУ, 2010. 197 с.

3. А.Е. Жуковский, B.C. Кондрусев. Испытания жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1981. 199 с.

4. В. Н. Фоменко, А. Ю. Берсон. Диагностика отказов РДТТ: [Учеб. пособие по курсу "Отработка и надежность ракет, двигателей"]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 129 с.

5. Ильинский В. А. Исследование ракетных двигателей на жидком топливе (Перевод с английского). М.: Издательство Мир. 1964. 84 с.

6. Шишков А. А., Силин Б. М. Высотные испытания реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. 208 с.

7. Исследование характеристик ГДТ для высотных испытаний РД / НИИТП. Исполнители Миронов В. М., Дубинский А. М., Инв. №0706. М., 1969. 100 с.

8. А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев. Основы теории и расчета жидкостных двигателей. В 2 кн. Учеб. для авиац. спец. вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк, 1993. 703 с.

9. О влиянии нерасчетности истечения из сопла на результаты измерений тяги при стендовых испытаниях ракетных двигателей / НИИТП. Исполнители Дубинский А. М., Никулин Г. В., Инв. № 0743. М., 1970. 8 с.

10. Исследование влияния нерасчетности истечения из сопла на тягу ракетного двигателя / НИИТП и НИИ-4 МО. Исполнители Дубинский А. М., Светушкин К. И. и др., Инв. № 0865. М., 1971. 48 с.

11. Frey M, Hagemann G. Flow separation and side-loads in rocket nozzles. AIAA Paper 99-2815, 1999.

12. Пономарев А. А. Экспериментальные и расчётные исследования условий появления нетипичного отрыва потока в соплах и потерь удельного импульса тяги из-за неоднородностей состава продуктов сгорания: дис. канд. физ.-мат. наук. Москва. 2011. 149 с.

13. Исследование моделей стендовых систем для проведения наземных испытаний ЖРД с высотными соплам и при атмосферном внешнем давлении с моделированием свойств натурных продуктов сгорания / ФГУП «Центр Келдыша». Исполнители Миронов В. В., Борисов Д. М., Волков Н. Н. [и др.], Инв. № 4919 ДСП. 2008. 138 с.

14. Исследования процессов в газодинамических трубах (укороченных, с центральным телом) и разработка рекомендаций по испытаниям РД с высотными соплами в стендовых условиях в составе натурных изделий / ФГУП «Центр Келдыша». Исполнители Пономарев Н. Б., Архипов А. Б., Обидина Н. И., Волков Н. Н. [и др.], Инв. № 5615 ДСП. 2011. 120 с.

15. Расчетно-экспериментальные исследования по ГДТ КБХА для испытаний двигателя РД0146Д / ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова». Руководитель темы Прохоров А. Н. Инв. № 13911,2010. 88 с.

16. Экспериментальное исследование торможения потока и нагрева стенок в ГДТ для испытания ракетных двигателей, проведенное на РДТТ / НИИТП и НИХТИ. Исполнители Миронов В. М., Дубинский А. М. Инв. №0754, 1970. 48 с.

17. Исследование пусковых и рабочих характеристик цилиндрических кормовых диффузоров для высотных испытаний ракетных двигателей / НИИТП. Исполнители Дубинский А. М., Ашратов Э. А. Инв. № 0589, 1968. 56 с.

18. Р. Герман. Сверхзвуковые входные диффузоры. Пер. с англ. Под ред. Г. Н. Абрамовича. М.: Физматгиз, 1960. 290 с.

19. Исследование процесса импульсного запуска сверхзвуковых аэродинамических устройств, содержащих сопло и диффузор / ЦИАМ. Исполнитель Григоренко В. Л. 1976. 34с.

20. Исследование способов увеличения восстановления давления в сверхзвуковых диффузорах на расчетном числе Маха / НИИ-11955. 1964. 22 с.

21. Элементы стендов зарубежных стран, предназначенных для высотных испытаний ракетных двигателей. Обзор иностранной литературы / ГОНТИ. Составители Воробьева Л. И., Дубинский А. М. и др. 1977. 87 с.

22. Моделирование течений с химическими реакциями применительно к тракту гиперзвуковой силовой установки на базе полной и параболизованной систем уравнений Навье-Стокса и оценка характеристик с учетом эффектов интеграции. / ЦИАМ. Исполнители В. И. Копченов, Л. В. Безгин, А. Н. Ганжело [и др.]. Инв. № 012-2121. 1996. 60 с.

23. «Программа расчета двухслойных течений». Заявка №2010613179 от 08.06.2010. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010615054 от 05.08.2010. Миронов В. В., Дегтярев С. А., Борисов Д. М. [и др.].

24. Г. Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб. Руководство: Для втузов. - 5-е изд., перераб. и доп. М.: «Наука». 1991. 600 с.

25. М. М. Бондарюк, С. М. Ильяшенко. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели. М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1958. 394 с.

26. Ву Кван Чже. Разработка комплексной методики экспериментально-аналитического обоснования выбора рациональных параметров ГПВРД: автореферат дис. канд. технических наук. Москва. 2001. 36 с.

27. Д. А. Мельников, У. Г. Пирумов, В. М. Семичастнов [и др.] Руководство для конструкторов по проектированию сверхзвуковых осесимметричных круглых сопел реактивных двигателей. М. Отдел научно-технической информации. 1964. 366 с.

28. Расчетное сравнение двух методов профилирования сверхзвуковых осесимметричных сопел реактивных двигателей / НИИТП. Исполнители Пирумов У. Г., Сергиенко А. А., Пчелкина Л. В. и др. Москва. 1964. 51 с.

29. Профилирование плоских и осесимметричных сопел, реализующих заданный сверхзвуковой поток в сечении выхода / ЦИАМ. Исполнители Крайко А. Н., Шеломовский В. В. Москва, 1977. 58 с.

30. Алемасов В. Е., Дрегалин А. Ф., Тишин А. П. Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1989. 533 с.

31. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: Учебник для вузов. Под ред. Д. А. Ягодникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006.488 с.

32. Черный Г.Г. Газовая динамика: Учебник для университетов и втузов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1988. 424 с.

33. Газовая динамика. Механика жидкости и газа:. Учебник для вузов; Под общей ред. А. И. Леонтьева. - 2-е издание., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 671 с.

34. Пирумов У. Г., Росляков Г. С. Газовая динамика сопел. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. 368 с.

35. Ломков К. Э. Разработка методов расчета и исследование сверхзвуковых пространственных течений в элементах камеры сгорания ГПВРД : автореферат дис. канд. технических наук. Москва. 1998. 19 с.

36. О. H. Кацкова. Расчет равновесных течений газа в сверхзвуковых соплах. М.: Вычислительный центр АН СССР, 1964. 64 с.

37. О. Н. Кацкова, И. Н. Наумова, Ю. Д. Опыт расчета плоских и осесимметричных сверхзвуковых течений газа методом характеристик М.: Вычислительный центр АН СССР, 1961. 60 с.

38. Г. С. Рослякова, JT. А. Чудова. Сборник работ вычислительного центра МГУ. Часть 2: Численные методы в газовой динамике. М.: Издательство Московского Университета, 1963. 239 с.

39. Г. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. Перевод с немецкого. М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1974. 744 с.

40. Калихман JL Е. Влияние формы профиля на сопротивление трения. Исследование турбулентного пограничного слоя в области отрыва. М., Издание Центрального Аэро-Гидродинамического института. 2012. 80 с.

41. Chien К. Y. Predictions of Channel and Boundary-Layer Flows with a Low-Reynolds-Number Turbulence Model. // AJAA J. 1982. V.20. № 1. p. 33.

42. В. M. Ануфриев, Э. А. Ашратов [и др.]. Исследование регулируемых на запуске диффузоров ВРД с центральным телом. Труды НИИ-1. М.: Государственное издательство оборонной промышленности. 1959. 35 с.

43. А. А. Дорофеев. Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория и проектирование: учебник для авиа- и ракетостроительных специальностей вузов - Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 463 с.

44. Исследования течений со срывными зонами. / Обзор БНИ ЦАГИ. Составители Берлянд А. Т., Глотов Г. Ф. [и др.]. Инв. №437. 1974. 186 с.

45. П. Чжен. Отрывные течения. В 3 томах. М.: Мир. 1973.

46. Kopal Z. Tables of supersonic flows around cones. Mass. Inst. Techn., Center of Analysis., Rep. 1,1947. 92 p.

47. Д. В. Писарев. Осесимметричное обтекание сверхзвуковым потоком газа тел вращения, близких к конусам. М.: Отдел научно-технической информации, 1957.15 с.

48. Экспериментальная установка для исследования характеристик выхлопного диффузора с центральным телом применительно к ракетным двигателям. H. Н. Волков, А. Ш. Козаев [и др.] // Вестник МГТУ им. Баумана. Серия Машиностроение. 2012. №4. С. 51-60.

49. Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 392 с.

50. Baldwin В.S., Lomax H. Thin-Layer Approximation and Algebraic Model for Separated Turbulent Flows // AIAA J. 1978. V. 16. P. 78-257.

51. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах: Программа для ЭВМ / МГТУ им. Н.Э. Баумана; РосАПО. Гос. per. № 920054.1992.

52. Трусов Б.Г. Программная система ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах // III Международный симпозиум «Горение и плазмохимия». 24 - 26 августа 2005. Алматы, Казахстан. 2005. С. 52 - 57.

53. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация теплоэнергетических процессов». - 3-е изд., перераб. М.: «Энергия». 1978. 704 с.

54. Сертификат соответствия. Датчики давления МИДА-13П [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://midaus.com/

55. ГОСТ 8.585. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования. М., 2001.

56. Г.М. Кондратьев. Регулярный тепловой режим. М.: Государственное издательство техника-теоритической литературы. 1954. 408с.

57. В. С. Авдуевский. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике. М.: «Машиностроение». 1975. 624 с.

58. Экспериментальное исследование теплообмена при больших числах Маха потока / ГОНТИ-8. Исполнители Лихушин В.Я., Поскачеев Д.Л. Инв. №30. 1955. 61 с.

59. Богатко Т. В. Влияние отрывных зон на вихреобразование и турбулентный теплообмен в круглой трубе: автореферат дис. канд. технических наук. Новосибирск. 2013. 23 с.

60. Гаврилова Н. М. Моделирование турбулентного теплообмена на разрушающейся поверхности, обтекаемой сжимаемым высокотемпературным потоком, в профилированных каналах: дис. канд. физ.-мат. наук. Москва. 1991. 184 с.

61. С. С. Кутателадзе. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979 г. 416 с.