CC BY
18УДК 621.453.457
А .В. Воронецкий, К .Ю. Арефьев, М. А. Ильченко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЖРД МАЛОЙ ТЯГИ
Представлены результаты экспериментального исследования системы газодинамического воспламенения топливной смеси в ЖРД малой тяги. Принцип работы системы, состоящей из сверхзвукового сопла и резонатора с конфузорным входом, основан на реализации в ней циклического процесса прохождения в застойную зону резонатора ударных волн, генерируемых на входе в конфузор, что в конечном итоге приводит к диссипации кинетической энергии сверхзвуковой струи и интенсивному выделению теплоты. В работе экспериментально определены АЧХ системы, интенсивность тепловыделения в резонаторе и уровень температуры торцовой стенки.
E-mail: voron@mx.bmstu.ru; arefyev@rambler.ru; zvs@ciam.ru
Ключевые слова: система воспламенения, пульсации давления, газодинамический резонанс, экспериментальное исследование.
Работа является продолжением исследования [1] перспективной резонансной газодинамической системы воспламенения (ГСВ) применительно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) малой тяги (МТ).
Газодинамический тракт ГСВ (рис. 1) состоит из сверхзвукового сопла 1 и полуоткрытого резонатора с конфузорным входом 2, установленных на одной оси. В застойной зоне А резонатора осуществляется интенсивный нагрев подаваемой через сопло газообразной топливной смеси. Выделение теплоты происходит за счет высокочастотного циклического процесса прохождения и отражения от торцовой стенки резонатора ударных волн. Высокий уровень температур в резонансной полости приводит к воспламенению топлива.
LS А
1 — резонатор; 2 — сопло
Нагрев газа внутри резонансной полости происходит следующим образом [2, 3]. При обтекании газом входной кромки резонатора возникает поддерживаемый за счет энергии самого потока автоколебательный процесс. При этом генерируемые на входе в конфузор ударные волны с определенной частотой распространяются вдоль оси резонатора, проникая в застойную зону А. Процесс сопровождается ростом энтропии и необратимым выделением теплоты, которая аккумулируется в газе, находящемся в застойной зоне резонатора. Высокую интенсивность нагрева стенок резонатора можно объяснить тем, что во время цикла повышения давления и температуры газа в резонаторе часть теплоты из застойной зоны резонатора передается стенке.
В первой части исследования [1] был представлен расчетно-теоретический анализ ГСВ применительно к ЖРД МТ. Проведенные расчеты показали, что изменение температуры газа в резонаторе имеет циклический характер и может превышать полную температуру подаваемой смеси Т0 более чем в 7 раз. При этом средняя температура достигает значений до 5,7Г0. Таким образом, уровень температуры выше порога воспламенения газообразных топливных пар, применяемых в ЖРД МТ. Расчетное время запуска двигателя составляет не более 50 мс.
В [1, 4, 5] получены рекомендации по выбору основных геометрических параметров сопла и резонатора. Показано, что резонансный эффект, сопровождающийся максимальными температурами газа в резонаторе, наблюдается при частоте пульсаций 3...4 кГц. Определены оптимальные соотношения между основными геометрическими параметрами ГСВ: Ь = (2...3)А и ^ = (12...14)А.
В данной работе приведены результаты испытаний автономной ГСВ в атмосферных условиях с использованием модельного газа (воздуха) в качестве рабочего тела.
В задачи экспериментального исследования модельной ГСВ входят:
1) получение экспериментальных амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) пульсационного процесса в ГСВ;
2) исследование процесса прогрева конструкции резонатора ГСВ и определение уровня тепловыделения в резонансной полости;
3) определение влияния дроссельных характеристик ГСВ на процесс нагрева газа в застойной зоне резонатора;
4) сравнительный анализ экспериментальных данных и расчетных зависимостей, полученных в работе [1].
При проведении экспериментального исследования в качестве параметров рассматривали давление перед соплом, глубину резонансной полости £ и относительное положение резонатора Ь. Эффективность работы ГСВ оценивали по максимальной температуре нагрева торцовой части резонатора и по тепловыделению в застойной зоне резонансной полости.
Экспериментальные исследования модельного варианта ГСВ выполнены на стенде У310 ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова" с использованием установки, в состав которой входят воздушная рампа высокого давления (с заправочной, запорной арматурой и дренажными устройствами), основной и командный редукторы давления. Установка оборудована датчиками температуры и давления воздуха на входе, теневым прибором ИАБ-451 с высокоскоростной видиокамерой, микрофоном RFT MK 101, анализатором акустических сигналов ONO SOKKY CF-920, тепловизором SDS HotFind-DXT. Хранение и первичная обработка информации осуществляются модулем Л-КАРД.
Сверхзвуковое сопло модельного варианта ГСВ имеет геометрическую степень расширения, равную четырем. Для экспериментальных исследований изготовлено два резонатора с относительной глубиной резонансной полости S/D1 = 13 и S/D1 = 15. Расстояние между соплом и резонатором варьируется в диапазоне значений L/D1 = 0...6.
Испытания проведены при изменении давления газа перед соплом рв в диапазонерв/рн = 1,4...25, гдерн — давление окружающей среды.
С помощью анализатора ONO SOKKY CF получены АЧХ пуль-сационного процесса в ГСВ. На рис. 2 приведены результаты измерений электрического сигнала V для дозвукового, трансзвукового и сверхзвукового режимов течения в сопле.
Анализ полученных результатов показал, что с увеличением значения рв /рн при докритическом режиме течения частота пульсаций в резонаторе (соответствующая спектральной составляющей с максимальной амплитудой) асимптотически стремится к значению, равному f = = 0,25a/S, где а — осредненная скорость звука по длине резонатора.
При сверхкритическом перепаде давления параметры рв / рн и L не оказывают влияния на частоту пульсаций в резонаторе. Примеры зависимостей частоты от рв /рн для S/D1 = 13 и S/D1 = 15 приведены на рис. 3, а.
О влиянии перепада давления рв /рн на величину звукового воздействия L^ можно судить по данным рис. 3, б: имеет место значительный рост значений L^ при повышении относительного перепада давления до рв /рн = 8...10 и последующее асимптотическое приближение к максимальному значению. В исследованном диапазоне изменения S/D1 = 13...15 не обнаружено заметного влияния параметра S на величину звукового воздействия.
При значениях рв /рн < 5 в спектрах звукового воздействия наибольшие амплитуды зарегистрированы у высших гармоник. С возрастанием относительного перепада давления наибольшие амплитуды спектральных составляющих смещаются в область первых гармоник с частотами, близкими к значениям, которые определяются зависимостью f = 0,25a/S. По достижению рв /рн = 8...10 существенно возрастает уровень звукового давления (у гармоник с наибольшей амплитудой) с последующим асимптотическим приближением к максимальным значениям, находящимся в диапазоне L^ = 110...130 дБ.
Рис. 2. АЧХ пульсационного про-40 f. кГц цесса прирв/рн = 1,4 (а),рв/рн = 2,1 (б) и рв /рн = 25 (в)
б
а
в
О 5 10 15 20 25 Р„1РН о 5 10 15 20 25 ад
а б
Рис. 3. Зависимость частоты пульсаций (а) и величины звукового воздействия (б) от относительного перепада давления на сопле ГСВ:
1 — £/Д = 13; 2 — БЮ1 = 15; 3 — ЬЮ1 = 1; 4 — ЬЮ1 = 2; 5 — ЬЮ1 = 3
В диапазоне рв /рн = 2,1...24,2 (рис. 4) максимальным значениям интенсивности звукового воздействия соответствуют ЬЮ1 = 1,8...2,0.
■^ЗВ'
дБ 120
110
100 90 80 70 60
^-- ....... 1 1
1 __ — __ __
. 1 г' '
f
7
1.5
2.5
3.5
LID,
Рис. 4. Зависимость величины звукового воздействия Ьзв от относительного перепада давления на сопле ГСВ:
1 — Рв /рн = 24,2; 2 — Рв /рн = 9,5; 3 — рв /рн = 5,2; 4 — рв /рн = 2,1
TJT0
5
___•• 2
► 1 ~"х х
♦ / / ♦ •• Ж - к— " 3
Л*, /4" г
/
TJT0
16 21 Д/Рн
2
»—' 1
Г Х-- X— ---- *----
J
11 16 б
рМ
а
Рис. 5. Зависимость температуры торцовой стенки резонатора от относительного перепада давления на сопле ГСВ для Б/01 = 13 (а) и Б/01 = 15 (б):
1 — 1/Б1 = 1; 2 — Ш1 = 2; 3 — 1/Б1 = 3
Данные исследований о влиянии относительного перепада давления рв /рн на степень нагрева торцовой части резонатора Т„ / Т0 представлены на рис. 5: наблюдается корреляция зависимостей Т„ / Т0 =
= /(рв /рн) и Ьзв = /(рв /рн).
Полученные ранее расчетные данные [1] и результаты экспериментального исследования ГСВ имеют удовлетворительную сходимость в пределах относительной погрешности 10 %. Например, экспериментальные значения температуры торцовой стенки резонатора
Тм> оказались ниже по сравнению с расчетными значениями средней температуры Т в застойной зоне резонатора. Наблюдаемая разница обусловлена дополнительным теплоотводом в окружающую среду и корпус экспериментальной ГСВ.
В процессе эксперимента отмечено снижение температуры входной кромки резонатора до 235 К от начального значения (291 К) и повышение температуры его торцовой части до 1325 К. Выход резонатора на стационарный температурный режим осуществляется за 14...16 с.
Исследование прогрева стенок резонатора с помощью тепловизора позволило оценить тепловыделение Q в резонансной полости. Величину тепловыделения можно определить по уравнению
{[«тг; (T -Гос)]dF + \pCMvdV
Q =
At
Здесь е — коэффициент черноты наружной поверхности резонатора; а — коэффициент Стефана-Больцмана; ак — коэффициент конвективной теплопередачи в окружающую среду; Тр — температура конструкции резонатора; То.с — температура окружающей среды; р — плотность элементов конструкции резонатора; С — теплоемкость материала резонатора; Г — площадь поверхности; V — объем конструкции резонатора.
Одним из параметров, по которому можно оценить эффективность работы ГСВ, является относительное тепловыделение Q/H0 (отношение тепловыделения Q к полной энтальпии потока на входе в ГСВ). Зависимости QIH0 = /(рв I рн) приведены на рис. 6.
QIH,
0,12
0.06
0,02 0.00
♦ ..................... / ~ ' *-♦ 2
,/
/х
*/ * X— X-----
7 . 4 А, . 1 *--- к---- -4-li
/ V
16
21
Рв'Рн
а
б
Рис. 6. Экспериментальная зависимость относительного тепловыделения в резонаторе отрв 1рн для S/D1 = 13 (а) и S/D1 = 15 (б):
1 — LID1 = 1; 2 — LID1 = 2; 3 — LID1 = 3
В исследованных резонаторах величина QIH0 практически не зависит от перепада давления при рв Iрн > 6. Причиной снижения относительного тепловыделения при рв I рн < 10 является увеличение степени нерасчетности сопла и соответствующее снижение скорости потока в системе сверхзвуковое сопло — резонатор. Тепловыделение в резонансной полости, в значительной степени обусловленное геометрическими параметрами ГСВ, достигает максимума при ЫВ1 = 2, 8Ю1 = 12...14, причем максимальному значению тепловыделения соответствует максимальная температура торцовой стенки резонатора.
В данной работе представлены результаты экспериментального исследования модельной резонансной системы газодинамического воспламенения ЖРД МТ. При штатной работе ГСВ температура газовой смеси в застойной зоне резонатора (вблизи его торца) превышает точку воспламенения.
Получены зависимости частоты / и уровня звукового воздействия Ьзв от относительного перепада давлениярв Iрн.
В процессе выхода ГСВ на стационарный режим работы наблюдается снижение температуры входной кромки резонатора до 235 К и повышение температуры его торцовой части до 1 325 К.
Показано, что тепловыделение в исследованных резонаторах практически не зависит от перепада давления при рв I рн > 10 и может составлять до 16 % от полной энтальпии потока на входе. Максимальные значения интенсивности звукового воздействия Ьзв = 110...130 дБ достигают при ЬЮ1 = 1,8...2,0.
В результате анализа АЧХ ГСВ установлено, что частота пульсаций не зависит от расстояния между соплом и входной частью резонатора, а также от перепада давления при рв I рн > 5. Для 8Ю1 = 13 номинальная частота пульсаций составляет 3 600 Гц, для = 15 — 3 100 Гц.
Полученные экспериментальные данные подтвердили возможность применения ГСВ для запуска ЖРД МТ на газообразных компонентах топлива. Сравнение расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о высокой точности описания процессов в ГСВ математической моделью [1].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воронецкий А. В., Арефьев К. Ю., Захаров В. С. Расчетно-теоретическое исследование резонансной системы газодинамического воспламенения ЖРД малой тяги II Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2012. № 1. С. 31-41.
2. Ляхов В.Н., Поддубный В.В., Титаренко В.В. Воздействие ударных волн и струй на элементы конструкции: Математическое моделирование в нестационарной газовой динамике. М.: Машиностроение, 1989. 392 с.
3. Антонов А. Н., Купцов В. М., Комаров В. В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.
4. Сергиенко А. А., Семенов В. В. Газодинамический воспламенитель II Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 2. С. 44-47.
5. Иванов Э. И., Крюков И. А. Пульсационные режимы течения в газодинамическом воспламенителе II Математическое моделирование. 1999. Т. 11, № 2. С. 61-69.
Статья поступила в редакцию 26.09.2012
