Анализ характеристик двигателя с учетом отрыва потока

Камера ракетного двигателя, как известно, развивает максимальный удельный импульс при работе на расчетном режиме, когда давление на срезе сопла оказывается равным давлению внешней среды. Однако при работе камеры сгорания в реальных условиях сопло часто работает на нерасчетных режимах. Для нашего случая, это условие реально, т. к. при начальных параметрах и проектируемой геометрии сопловой части давление на срезе сопла составляет 70 кПа. Таким образом, при нулевой высоте давление окружающей среды — атмосферы — заведомо больше давления на срезе сопла.

Режим работы камеры с отрывом потока от стенки возможен также при глубоком дросселированные тяги. В этом случае надо выбрать такие расходы компонентов, чтобы избежать отрыва потока.

На режимах перерасширения истекающий из сопла поток приспосабливается к повышенному давлению среды, проходя через систему скачков уплотнения, которая устанавливается на срезе сопла. При степени перерасширения больше предельной прямой скачок уходит в глубь сопла, а со среза сопла будет истекать дозвуковой поток с давлением, равный внешнему давлению.

Для расчета тяги, удельного импульса необходимо с достаточной точностью определить давление в месте отрыва и определить само место отрыва, т. е. знать, на какой степени расширения возникнет отрыв.

На рис. 18.1 приведены результаты расчета случаев возникновения отрыва потока от стенки разрабатываемого двигателя в виде зависимостей давления от характерных площадей при различном давлении в камере сгорания.

Оранжевой горизонтальной линией показано номинальное давление двигателя на срезе сопла, зеленой линией — давление окружающей среды, в данном случае атмосферы. Верхняя точка соответствует давлению в критическом сечении, красная линия показывает изменение давления на линии отрыва, синяя линия — изменение давления в сопле по характерным площадям. Если красная линия лежит справа относительно синий линии, это означает что, отрыв потока наступает, точки указывают давления и площади зоны отрыва. Если красная линия лежит слева от синей линии — отрыва не наступает.

Рис. 18.1. Зависимость давления от площади характерных сечений, определяющих отрыв потока.

По графикам видно, как при повышении давления в камере отрыв уходит из сопла. Отрыв присутствует только для давления в камере сгорания ниже 926 кПа, в других случаях отрыва не возникает.

Таким образом, для номинального режима работы двигателя отрыва потока не возникает, следовательно, в расчётах принимаем, что тяга двигателя останется неизменной и считается для давления на срезе, равного атмосферному давлению.

Заключение

1. Поставлена задача эскизного проектирования ЖРД тягой 1000 Н на компонентах: 85%-й пероксид водорода и керосин. Составлено техническое задание на разработку двигателя. Определена последовательность эскизной разработки.

2. Проведен анализ применения в ЖРДМТ компонентов: 85%-й пероксид водорода и керосин. Для воспламенения топливной пары предложено каталитическое разложение пероксида водорода с использованием перманганата калия (KMnO₄).

3. Проведен термодинамический расчет параметров рабочего тела в зависимости от концентрации окислителя (пероксида водорода) и давления в КС. Показано, что концентрация сильно влияет на удельный импульс и температуру в КС. Влияние давления в КС на термодинамические характеристики рабочего тела минимально. Однако повышение давления может благоприятно сказаться на распыливании компонентов и уменьшить массу КС.

4. Проведено математическое моделирование теплового состояния двигателя в широком диапазоне входных значений. Проведен анализ теоретического значения удельного импульса в зависимости от параметров двигателя и применяемых материалов.

5. Проведен расчет высотной и дроссельной характеристик двигателя. Без учёта расхода на завесу для двигателя, работающего на земле (противодавление 1 атм), подтверждена номинальная тяга в 1000 Н, при этом теоретический удельный импульс составит до 2064 м/c. При работе сопла с противодавлением 70 кПа, тяга увеличится до 1050 Н, удельный импульс — до 2168 м/c. Расчеты показали, что при работе на земле отрыв потока в сопле не возникает.

6. Определено, что для материала Inconel 718 предельная температура материала составит не более 1100…1200 К. В этом случае оптимальными значениями расхода на завесу могут быть 5…10% горючего или 15…20% окислителя. Коэффициент избытка окислителя выбираем в районе 1,15…1,25. Величина теоретического удельного импульса при этом снизится в той же пропорции и будет находиться в пределах 1800…1900 м/c. Ожидаемое практическое значение удельного импульса на испытаниях будет ещё меньше и может достичь 1750…1850 м/c. Окончательный вывод по требуемому расходу на завесу принимается исходя из результатов огневых испытаний.

7. Проведен термодинамический расчет двигателя, работающего на пероксиде водорода концентрации 85%, 90%, 95%, 98%. Проведен термодинамический расчет для двигателя на 85%-м пероксиде водорода, работающего с разным давлением в камере сгорания. Проведен расчет основных характеристик и зависимостей двигателя тягой 1000 Н, работающего на 98%-м пероксиде водорода.

 

Литература

1. Авдуевский В.С., Галицейский Б.М., Кошкин В.К. и др. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. – М.: Машиностроение, 1992. – 528 c.

2. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. – М.: Машиностроение, 1989. – 464 с.

3. Безменова Н.В. Численное моделирование сопряженного теплообмена в ЖРД малых тяг в целях повышения их эффективности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Самара: СГАУ, 2001.

4. Белов Г.В. Термодинамическое моделирование: методы, алгоритмы, программы. – М.: научный Мир, 2002. – 184 с.

5. Беляев Н.М., Рядно А.А. Методы нестационарной теплопроводности. – М.: Высшая школа, 1978. – 328 с.

6. Березанская Е.Л., Курпатенков В.Д., Надеждина Ю.Д. Расчет конвективных тепловых потоков в сопле Лаваля. – М: МАИ. 1976. – 77 с.

7. Волчков Э. П. Пристеновные газовые завесы. «Наука». Новосибирск, 1983. – 240 с.

8. Воробьев А.Г. Математическая модель теплового состояния ЖРДМТ. Вестник МАИ. Т14, №4. Москва. 2007. – С. 42-49.

9. Горностаев В.И. Термодинамический расчет двигателя. – Красноярск: САА, 1994 г.

10. Дзюбенко Б.В., Ашмантас Л.В., Мякочкин А.С. Термодинамика. – Вильнюс, 2006. – 303 с.

11. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования. – М.: Машиностроение, 1968. – 396 с.

12. Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. – М.: Химия, 1975. – 320 с.

13. Иевлиев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. – М.: Наука, 1975. – 256 с.

14. Калиниченко В.И., Кощий А.Ф., Ропавка А.И. Численные решения задач теплопроводности. – Х.: Вища шк., 1987.

15. Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. Системы питания и управления ЖРДУ. Москва. Машиностроение 1988г.

16. Козлов А.А., Абашев В.М. Расчет и проектирование ЖРДМТ. Учебное пособие. МАИ.2004г.

17. Козлов А.А. Выбор топлива, схемы и основных параметров ЖРДУ на ранних этапах проектирования. МАИ. Учебное пособие.1997г.

18. Козлов А.А., Бобков Р.М., Шарапов В.В., Кесаев Х.В. и др. Создание высокоэффективной экологически чистой комбинированной ЖРДУ многократного включения для транспортировки грузов на стационарную орбиту Земли и удаления радиоактивных отходов в дальний космос. Технические отчеты по теме 202-91 К1за 1991 и 1992гг.

19. Кочетков Ю.Н., Савельев Г.Я., Аверкина В.Н. Методика определения энергетических характеристик ЖРДМТ // Ракетно-космическая техника, вып. 3 (136). НИИ тепловых процессов, 1992 г. 9-13 c.

20. Кошкин В.К. и др. Нестационарный теплообмен. – М.: Машиностроение, 1973. – 328 с.

21. Кудрявцев В.М., Васильев А.П., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. – М.: Высшая школа, 1983. – 703 с.

22. Кулаков М.В., Макаров Б.И. Измерение температуры поверхности твёрдых тел. – М.: Энергия, 1979. – 96 с.

23. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. – М: Атомиздат, 1962. – 456 с.

24. Луканин В.Н., Шатров М.Г. и др. Теплотехника. – М.: Высшая школа, 2006. – 671 с.

25. Мошкин Е.К. Нестационарные режимы работы ЖРД. – М.: Машиностроение, 1970. – 336 с.

26. Неретин Е.С., Кирпичёв К.Ю., Чубаров О.Ю. Система испытания приводов качания жидкостных ракетных двигателей РД-170, РД-171, РД-180, РД-191 // XXXV ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды Международной молодежной научной конференции. – М.: МАТИ, 2009. Т. 2. – с. 225–226.

27. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. – 784 с.

28. Термодинамические и теплофизические свойства индивидуальных веществ. Справочник в 2-х томах. Издание второе. Под редакцией академика Глушко В.П. – М.: Из-во АН СССР, 1962.

29. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в 10-ти томах. Под редакцией академика Глушко В.П. – М.: ВИНИТИ АН СССР, 1971.

Приложение 1. Термодинамический расчет для разной концентрации пероксида водорода

21.1 85%H₂O₂ + керосин

21.2 90%H2O2 + керосин

21.3 95%H2O2 + керосин

21.4 98%H2O2 + керосин

22 Приложение 2. Термодинамический расчет для разного давления в КС для пероксида водорода 85%

Температура в КС