Дисковые потери турбонасосных агрегатов двигателей летательных аппаратов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Оценили ряд преимуществ и недостатков электрореактивных двигателей и выявили, что из-за малой отбрасываемой массы РТ время непрерывной работы ЭРД будет измеряться месяцами и годами; их использование вместо существующих химических РД позволит увеличить массу полезного груза КЛА. Исходя из этих данных мы выявили возможность усовершенствования данного типа РД. В процессе исследования было выявлено, что имеющееся сопло Лаваля не позволяет КА развить необходимую скорость для космических перелетов. Также остается фактом, что используемое в данный момент рабочее тело ЭРД не обладает требуемыми характеристиками. Большинство современных ЭРД работают на очень дорогом и редко встречающемся в природе ксеноне. В связи с перспективами дальнейшего развития данного вида двигательных установок имеется возможность расширить их сферу применения и использовать как двигатели для межпланетных перелетов.

Так как удельная тяга складывается из двух составляющих: массы и скорости истечения рабочего тела, на данный момент необходимо добиться максимальной [4] эффективности использования рабочего тела двигателем. Этого можно достигнуть, используя различные виды топлива, например, цезий, ртуть или обедненный уран. Применение цезия позволило бы уменьшить площадь тяговой камеры. Однако возможность использования зависит от того, удастся ли разработать метод для ионизации частиц «тяжелых» рабочих тел. При сравнении элементов периодической таблицы Менделеева по их распространенности в природе, массогабаритным характеристикам и вырабатываемой мощности во время ионизации, к рассмотрению представляются ртуть и обедненный уран. При заданных объемах эти вещества способны доставить полезный груз на дальние дистанции. При пред-

варительном испарении урана высокочастотными лазерами процесс ионизации упрощается, так как определенная часть РТ уже ионизирована. В случае со ртутью энергозатратный процесс испарения упрощается (температура кипения = 357,25 градусов Цельсия), но при этом ртуть легче рассмотренного выше урана.

Библиографические ссылки

1. Славин В. С., Данилов В. В., Краев М. В. Энергодвигательная установка для пилотируемых межпланетных полетов // Полет. 2001. Вып. 6. С. 9-17.

2. Электрический ракетный двигатель. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 10.10.2013).

3. URL: http://www.findpatent.ru/patent/202/2024785. html (дата обращения: 10.10.2013).

4. URL: http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum 13/topic4086/?PAGEN_1=13 (дата обращения: 10.10.2013).

References

1. Slavin V S., Danilov V V., Kraev M. V. Jenergodvigatel'naja ustanovka dlja pilotiruemyh mezhplanetnyh poletov // Polet. 2001. V. 6. S. 9-17.

2. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Electrically_ powered_spacecraft_propulsion (date of visit: 10.10.2013).

3. URL: http://www.findpatent.ru/patent/202/202478 5.html (date of visit: 10.10.2013).

4. URL: http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum 13/topic4086/?PAGEN_1=13 (date of visit: 10.10.2013).

© Ерисов А. А., Евтух А. В., Крылов А. С.,2013

УДК 62-251-762.89:532.4.013.12

ДИСКОВЫЕ ПОТЕРИ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Д. А. Жуйков, Е. Д. Коваленко, А. И. Лебедева

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail: [email protected]

Приведены результаты расчета коэффициента момента сопротивления при различных режимах течения характерных для турбонасосных агрегатов (ТНА) двигателей летательных аппаратов.

Ключевые слова: турбонасосный агрегат, момент сопротивления.

DISC FRICTION LOSS OF AIRCRAFT ENGINE TURBOPUMP ASSEMBLY

D. A. Zhuykov, E. D. Kovalenko, A. I. Lebedeva

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected]

The results of the resistance moment calculation at different flow regimes typical for the aircraft engine turbopump assembly (TPA) are demonstrated.

Keywords: turbopump assembly, the moment of resistance.

Ракетно-космические двигатели, энергетические установки и системы терморегулирования летательныхаппаратов

C

12

9

з

о

При проектировании турбонасосных агрегатов (ТНА) двигателей летательных аппаратов задача оценки КПД имеет важное значение. Это связано с тем что, большая доля механических потерь в насосах и турбинах относится к так называемым дисковым потерям. Корректное определение механических потерь и КПД агрегата в целом невозможна без корректного определения момента сопротивления трения поверхностей вращения при течении жидкости в щелях, кавернах и боковых пазухах ТНА. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования, проведенные различными авторами, в диапазоне изменения геометрических и режимных параметров характерных течений в ТНА дают целое поле расходящихся между собой значений [1-4].

Существующие методики расчета момента сопротивления поверхностей вращения, имеют ряд недостатков, а именно применение эмпирических коэффициентов, и пренебрегают вторичными течениями в пространственном пограничном слое (III 1С) как на диске, так и на стенке. Современная методика расчета момента сопротивления диска, вращающегося в потоке, рассмотренная в работе [4], не учитывает сложный характер изменения угловой скорости вращения потока жидкости между диском и стенкой, а также не учитывает наличие расходной составляющей абсолютной скорости ядра потока.

В работе [5] приведено дифференциальное уравнение для определения угловой скорости ядра потока в конической щели, где угловая скорость зависит от плотности рабочей жидкости, объёмного расхода рабочей жидкости через полость, угла наклона конической щели, напряжения окружного трения на стенке, напряжения окружного трения на диске [6; 7] и нормального зазора.

На рисунке представлены результаты расчета коэффициента момента сопротивления См при различных значениях объемного расхода через полость и результаты классических решений: для диска в кожухе [1; 2; 3; 9] и свободно вращающегося диска [1; 8]. Выражение для коэффициента момента сопротивления определяется общеизвестным выражением [4]:

М

^ _ диск

- R5<

2д

где юд - угловая скорость вращения диска; р - плотность рабочей жидкости; Я - кольцевая площадь; Мдиск - момент сопротивления диска.

Анализ показал, что коэффициент момента сопротивления в свободновращающихся дисках на безрасходном режиме имеет наибольшую величину при опыте Кармана, а при вращении диска в кожухе наибольший результат также имеет наибольшую величину при опыте Кармана. При наличии расходного те-

Ш улцГрунов [2]

Карман [1]

lgRe

Зависимость коэффициента момента сопротивления от числа Рейнольдса при n0 = 1 мм, R2 = 30 мм

чения к центру вращения коэффициент имеет нелинейный характер, что необходимо учитывать в математических моделях при разработке систем автоматизированного расчета и проектирования турбонасос-ных агрегатов двигателей летательных аппаратов.

Библиографические ссылки

1. Karman Th. Uber laminare und turbulente Reibung // Zeitschr. f. angew. Math. u. Mech. (ZAMM). 1921. № 1. P. 233-252.

2. Schulz-Grunov F. Der Reibungswiderstand vor-tierender Scheilen in Geha usen // ZAMM. 1935. № 15. P. 191-204.

3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. M. : Наука, 19б9. 744 с.

4. Смирнов П. Н., Кишкин А. А., Жуйков Д. А., Пшенко С. И. Mомент сопротивления диска, вращающегося в потоке, закрученном по закону твердого тела // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Технические науки. № 2 (1б5) / ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2012. С. 3б-42.

5. Кишкин А. А., Краев M. В., Жуйков Д. А. Течение в конической щели вспомогательного тракта насосного агрегата // Вестник СибГАУ. Вып. 2. 2001. С. 51-59.

6. Кишкин А. А., Краев M. В., Maйдyков А. В. Вращение диска в потоке, закрученном по закону твердого тела // Изв. вузов. Авиационная техника. 199б. № 4. С. 42-47.

7. Зуев А. А., Кишкин А. А., Жуйков Д. А., Толсто-пятов M. И. Течение с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок космических и летательных аппаратов // Вестник СибГАУ. Вып. 7 (40). 2011. С. б3-б8.

S. Dorfman L. A. Hydrodynamic resistance and heat loss of rotating solids. Edinburgh : Oliver & Boyd. 312 p.

9. Jacques R., Le Quere P., Daube O. Axisymmetric numerical simulations of turbulent flow in rotor-stator enclosures // Intern. J. of Heat and Fluid Flow. 2002. Vol. 23. No. 4. P. 381-397.

References

1. Karman Th. Uber laminare und turbulente Reibung // Zeitschr. f. angew. Math. u. Mech. (ZAMM). Number 1 (1921). P. 233-252.

2. Schulz-Grunov F. Der Reibungswiderstand vortierender Scheilen in Geha usen // ZAMM. Numb. 15 (1935). P. 191-204.

3. Schlichting, Theory of the boundary layer. Moscow : Nauka, 1969. 744 p.

4. Smirnov P. N., Kishkin A. A., Zhuikov D. A,, Pshenko S. I. Modulus disk rotating in the flow, swirling the law Solid: Proceedings of higher education. North-Caucasian region. Technical sciences. № 2 (165). SRSTU (NPI). Novocherkassk, 2012. P. 36-42.

5. Kishkin A. A., Brinks M., Zhuikov D. A. Flow in the conical gap tract auxiliary pump unit // Bulletin of SibSAU. 2001. Vol. 2. Р. 51-59.

6. Kishkin A. A., Edges M. V., Maydukov A. V. Rotation of the disk in the flow swirled by law solid // Math. Colleges and universities. Aviation equipment. 1996. Numb. 4. S. 42-47.

7. Zuev A., Kishkin A. A., Zhuikov D. A., Tolstopyatov M. I. Flow with heat transfer in the cavities of the rotation of space power systems and aircraft // Bulletin SibSAU / Issue 7 (40). Krasnoyarsk, 2011. Р. 63-68.

8. Dorfman L. A. Hydrodynamic resistance and heat loss of rotating solids. Edinburgh : Oliver & Boyd. 312 p.

9. Jacques R., Le Quere P., Daube O. Axisymmetric numerical simulations of turbulent flow in rotor-stator enclosures // Intern. J. of Heat and Fluid Flow. 2002. V. 23., No. 4. P. 381-397.

© Жуйков Д. А., Коваленко Е. Д., Лебедева А. И., 2013

УДК 532.526

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЙ С УЧЕТОМ ТЕПЛООТДАЧИ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО ТЕЧЕНИЯ, ХАРАКТЕРНОГО ПРОТОЧНЫМ ЧАСТЯМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

А. А. Зуев1, М. И. Толстопятов1, Е. В. Блинков2, А. М. Шишаев2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31. E-mail: [email protected]

2ОАО «Красноярский машиностроительный завод» Россия, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 29. E-mail: [email protected]

Целью работы является разработка экспериментальной установки, позволяющей проводить исследования теплообменных процессов вращательных течений на различных режимах течения рабочего тела, а именно: определение средних по поверхности теплообмена коэффициентов теплоотдачи при реализации вращательного течения рабочего тела. В результате проведенной работы спроектирован экспериментальный теплооб-менный аппарат, состоящий из двух полостей, объединенных теплопроводящей стенкой.

Ключевые слова: экспериментальная установка, вращательное течение, теплообменный аппарат.

RESEARCH OF ROTATIONAL FLOW WITH THE HEAT TRANSFER OF POTENTIONAL

ROTATIONAL FLOW INHERENT FLOWING PART OF ENGINE INSTALLATION OF AIRCRAFTS

A. A. Zuev1 M. I. Tolstopyatov1, E. V. Blinkov2, A. M. Shishaev2

1 Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected]

2JSC «Krasnoyarsk Machine-Building Plant» 29, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russia. E-mail: [email protected]

The purpose of the work is to develop such an experimental installation which will allow to perform the research of heat transfer processes of rotational flow at different flow regimes of the working fluid, namely the definition of average surface heat transfer coefficients in the implementation of rotational flow of the working fluid. As a result of the work, the experimental heat exchanger is designed; it consists of two cavities of the combined heat-conducting wall.

Keywords: experimental installation, rotational fluid, heat exchanger.

К узлам и агрегатам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) традиционно предъявляются особо высокие требования по удельным энергетическим и экс-

плуатационным характеристикам, что обусловлено интенсивностью протекающих динамических и тепловых процессов.