ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КАМЕРЫ ЖРД

FEATURES OF COOLING CALCULATION WHEN DESIGNING THE LRE CHAMBER

Maxim Sheludko

student of the Department EFA, Siberian state University of science and technology named after academician M.F. Reshetnev,

Russia, Krasnoyarsk

Nikolai Danilov

Student of the Department EFA Siberian state University of science and technology named after academician M.F. Reshetnev,

Russia, Krasnoyarsk,

Alexander Zuev

scientific adviser, Ph.D. tech. Sciences, Assoc. Department of "Aircraft Engines" Siberian State University of Science and Technology named after Academician M.F. Reshetnev,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

Расчет и анализ охлаждения камеры ЖРД является важным этапом при проектировании и разработке современных образцов двигателей. Разработано программное обеспечение расчета охлаждения в профилированном сопле ЖРД. Учтены особенности течения с теплопередачей в комбинированном сопле и охлаждающем тракте. Разработанный алгоритм позволяет определять распределение основных динамических и тепловых параметров по длине сопла и охлаждающего тракта.

ABSTRACT

Calculating and analyzing the cooling of the LRE chamber is an important step in the design and development of modern engine models. Software for calculating cooling in a profiled LRE nozzle has been developed. The features of the flow with heat transfer in the combined nozzle and cooling path are taken into account. The developed algorithm allows determining the distribution of the main dynamic and thermal parameters along the length of the nozzle and cooling path.

Ключевые слова: охлаждение, камера двигателя, ЖРД.

Keyword: Cooling, engine chamber, LRE.

Введение.

Организация охлаждения камеры является одной из важнейших задач проектирования ЖРД и по сравнению с другими типами тепловых машин значительно усложняется особенностями процесса теплообмена в ЖРД. Поскольку продукты сгорания движутся по камере с очень большими скоростями, высокими температурами (3000-4000 К) и давлениями (до 25 МПа), резко возрастает коэффициент конвективной теплоотдачи от продуктов сгорания в огневую стенку камеры двигателя и, следовательно конвективные тепловые потоки, принимающие в критическом сечении сопла значения до (23-15)∙10⁶ Вт/м² [1]. Так же необходимо учитывать и лучистые тепловые потоки от продуктов сгорания. Необходимо учитывать состав продуктов сгорания и изменение его по длине сопла, так как продукты сгорания (в отличии от твердого тела) обладают селективным излучением и поглощением. Тракт охлаждения камеры ЖРД представляет сложную пространственную форму с возможной закруткой потока в области критического сечения.

Для того чтобы исключить перегрев и как следствие прогар стенок камеры достаточно часто используется регенеративное охлаждение. Главной целью организации регенеративного охлаждения является подержание температуры стенок камеры двигателя в рабочем диапазоне (не допустить критическую температуру, при которой материал стенки начинает деформироваться и сгорать). В качестве охлаждающей жидкости используются компоненты топлива (окислитель или горючее).

Программный комплекс

Расчет и анализ охлаждения камеры ЖРД представляет сложную и трудоемкую задачу. В связи с большим изменением геометрии сопла и соответственно динамических и тепловых параметров требуется разбиение сопла на ряд участков. Необходимо учитывать большое количество факторов и проводить серию расчётов для каждого участка. Для автоматизации расчетных алгоритмов и снижения временные затраты на эскизное проектирование разработан программный комплекс выполняющий расчет охлаждения камеры ЖРД.

Программа предназначена для расчета и анализа параметров течения с учетом охлаждения стенок профилированного сопла. Регенеративное охлаждение организованно по схеме противоток, данная схема охлаждения наиболее эффективна для камер ЖРД.

Исходными данными для алгоритма служат: конструктивные и режимные параметры работы сопла, а также параметры системы охлаждения.

В программном комплексе можно выделить ряд отдельных алгоритмов: расчета геометрии, расчета горения, определения динамических и теплофизических параметров продуктов сгорания и охлаждающей жидкости.

В результате рассчитываются параметры теплового состояния стенки сопла, а также распределение параметров температуры, давления, скорости газа по длине сопла. Алгоритм программы включается в себя поэтапный расчет параметров камеры двигателя на основе исходных данных введенных пользователем. Расчет делится на две части: динамическую и тепловую.

Алгоритм определения динамических параметров

Критическое отношение давлений:

Далее определяются давление, удельный объем, температура, скорость истечения в критическом сечении. Определяется массовый расход.

Длина сопла разбивается на n шагов, на каждом шаге давление линейно убывает.

В зависимости от давления определяются:

температура потока на шаге численного интегрирования

;

удельный объем продуктов сгорания на шаге

;

Скорость продуктов сгорания на шаге

.

Цикл расчета повторяется до тех пор, пока давление не сравняется с давлением на срезе сопла или до оканчания длины.

Алгоритм определения тепловых параметров

Тепловой поток от продуктов сгорания к охлаждающей жидкости определяться через коэффициент теплопередачи огневой стенки и температуры рабочих тел:

.

Конвективный тепловой поток от продуктов сгорания в огневую стенку определяются по расчетной зависимости с использованием безразмерного коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного равномерного течения для случая Pr<1 [2,4]:

Тепловой поток от стенки к охлаждающей жидкости определяются по расчетной зависимости с использованием безразмерного коэффициента теплоотдачи в виде критерия Стантона для прямолинейного равномерного течения для случая Pr>1 [5, 6]:

Визуальное оформление программы имеет понятный и простой интерфейс. Каждый элемент ввода исходных данных визуализирован расчетными схемами, окна вводимых параметров имеют размерностей. Окислитель и горючее выбираются из падающего меню (введены в базу данных программного комплекса).

Рисунок 1. Интерфейс программы: Ввод исходных данных

Рисунок 2. Интерфейс программы: Вкладка «Геометрия»

По результатам расчета программный алгоритм выполняет построение графиков профиля сопла, распределения температур, давления, скорости и коэффициентов теплоотдачи.

Программное обеспечение прошло предварительное тестирование. Так же проведена предварительная верификация результатов расчета по основным параметрам, которая показала удовлетворительное схождение численных зависимостей и разработанного алгоритма. Оптимальный уровень стабильности энергетических параметров ЖРД обеспечивается в процессе опытно-конструкторских работ корректировкой геометрических размеров деталей и сборочных единиц газодинамического тракта, выбора технологических схем размерной обработки, сборки и испытаний с привлечением значительного объема статистического материала. В связи с этим моделирование охлаждения ЖРД представляет актуальную задачу. Результаты расчета могут быть использованы при анализе и оценке работоспособности установок с наличием течения и теплообмена.

Список литературы:

1. Добровольский, М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: учеб. для вузов / М.В. Добровольский; под ред. Д.А. Ягодникова. – 2-е изд. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 488 с.
2. Зуев А.А., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя в полостях вращения газовых турбин // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 99-115.
3. Зуев А.А., Арнгольд А.А., Данилов Н.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи в полостях вращения насосов // В сборнике: Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли. Материалы XIV Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова. Омск, 2020. С. 18-21.
4. Zuev A.A. Flow with heat transfer in a rotating cavity / Zuev A.A., Arngold A.A., Tolstopyatov M.I., Khodenkova E.V., Nazarov V.P. // Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2019, Vol. 537, 22026. doi:10.1088/1757-899X/537/2/022026
5. Зуев А.А., Пиунов В.Ю., Назаров В.П., Арнгольд А.А. Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя с конвективной составляющей в полостях вращения ТНА ЖРД // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2019. Т. 19. № 2. С. 30-44. DOI: 10.14529/engin190203
6. Толстопятов М.И., Зуев А.А., Кишкин А.А., Жуйков Д.А., Назаров В.П. Прямолинейное равномерное течение газов с теплоотдачей в энергетических установках летательных аппаратов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2012. № 4 (44). С. 134-139.