CC BY
21УДК 629.7.036.54
ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В БАКЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С КРИОГЕННЫМ КОМПОНЕНТОМ ТОПЛИВА
В.А. Бершадский, А.Г. Галеев, К.П. Денисов
ФКП «НИЦ РКП», г. Пересвет, Московская обл., Россия Тел. (496) 546-34-75, факс: (495) 221-62-82, е-шай: mail@nic-rkp.ru
Статья описывает решение задач надежного и безопасного функционирования систем питания энергоустановок с криогенными компонентами топлива. Применительно к режимам эксплуатации двигательных установок летательных аппаратов исследована интенсивность тепломассообмена в топливных баках с водородом и кислородом. Усовершенствован метод отработки внутрибаковых процессов на экспериментальной установке с моделью создаваемого бака и имитацией натурных режимов эксплуатации. Получены в безразмерной форме зависимости для определения влияния температуры и скорости газа наддува, а также колебаний поверхности раздела газовой и жидкой фаз на интенсивность процессов тепломассообмена в баке, которые были апробированы при экспериментальной отработке систем питания ДУ блоков «Ц» и «КРБ» ракет-носителей «Энергия» и «ОБЬУ».
THE INTENSITY OF HEAT-MASS EXCHANGE PROCESS IN FUEL SUPPLY SYSTEMS FUNCTIONING ON CRYOGEN FUEL TYPE
V.A. Bershadskij, A.G. Galeev, K.P. Denisov
FCP "SRC RCP", Peresvet, Moscow region, Russia tel. (496)546-34-75, fax: (495)221-62-82, e-mail: mail@nic-rkp.ru
The goal of the article is to find reliable and safe methods for fuel supply systems functioning on cryogen fuel type. The intensity of heat-mass exchange process in tanks with H2 and O2 is studied on aircraft's engines during the exploiting process. The method of inter-tank optimization process is improved on an experimental set with a constructing tank model in real imitation exploiting regimes. As the study's result а set of depending correlations of temperature and speed of pressurant gas, boundary of liquid and gas phase fluctation influencing the intensity of heat-mass exchange process in tanks were found. They were tested at an engine fuel supply systems experiment in carrier rockets "Energy" and "GSLV".
Étfc
Виталий Александрович Бершадский
Айвенго Гадыевич Галеев
Сведения об авторе: д-р техн. наук (2002 г.), чл.-корр. Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2004 г.), начальник сектора ФГУП «Научно-исследовательский институт химического машиностроения» (1963-2005 гг.).
Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Н1Л3», «Протон», «Энергия-Буран», «ОБЬУ».
Образование: Московский авиационный институт (1962 г.).
Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей, двигательных установок и исследования тепломассобменных процессов в системах питания двигательных установок.
Публикации: 135 научных трудов, в том числе авторских свидетельств и патентов на изобретения - 32.
Сведения об авторе: д-р техн. наук (1990 г.), профессор (1992 г.), лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники (1983 г.), действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2000 г.), начальник лаборатории ФКП «НИЦ РКП», профессор Московского авиационного института (государственного технического университета) и Сергиево-Посадского филиала Московского государственного индустриального университета.
Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Космос-1», «Космос-3», «Н1Л3», «Энергия-Буран», «ОБЬУ» и др.
Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.).
Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей, двигательных и энергетических установок, гидро- и газодинамика процессов в энергоустановках, исследования в области водородной технологии.
Публикации: более 150 научных работ, в том числе монографии - 2, учебных пособий - 6, авторских свидетельств и патентов на изобретения - 42.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (67) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
J Я I
П} $ V
Лъ
Константин Петрович Денисов
Сведения об авторе: д-р техн. наук (1989 г.), заслуженный деятель науки РФ, действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (1999 г.), первый заместитель генерального директора ФКП «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности».
Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Н1Л3», «Протон», «Энергия-Буран», «Зенит» и др.
Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.).
Область научных интересов: организация и практика наземных испытаний ракетных двигателей, двигательных установок и исследования тепломассообменных процессов в системах питания двигательных установок.
Публикации: 90 научных трудов, в том числе авторских свидетельств и патентов на изобретения - 22.
Введение
При функционировании систем питания (СП) криогенными компонентами энергоустановок различного назначения производят наддув топливных баков газом. Наддув газом до расчетной величины давления необходим для уменьшения потерь компонента за счет испарения, бескавитационной работы питающих энергоустановку насосов и обеспечения жесткости конструкции бака при эксплуатационных нагрузках, характерных для летательных аппаратов или морского и наземного транспорта [1].
Надежное и безопасное функционирование СП в составе энергоустановки связано с организацией процессов тепломассообмена в баке, обеспечивающих минимальные величины расхода газа наддува и прогрева криогенного компонента. Эти задачи решают в результате анализа сопряженного нестационарного тепломассообмена, который рассматривается на практике в квазистационарном приближении с применением эмпирических данных по интенсивности процессов, полученных в натурном баке при стендовых и летных испытаниях ДУ или на экспериментальных установках (ЭУ) с применением модели создаваемого бака [2, 3]. Решение этих задач наиболее важно для СП двигательных установок (ДУ) ракет, работающих на жидком водороде.
Ниже приведены результаты исследований интенсивности процессов тепломассообмена, проведенных в НИЦ РКП преимущественно на водороде и кислороде с применением модели создаваемых баков и имитацией условий их эксплуатации при экспериментальной отработке ДУ блоков «Ц» и «КРБ» ракет-носителей «Энергия» и «GSLV». Целью исследований являлось определение влияния на интенсивность процессов тепломассообмена температуры и скорости газа наддува на входе в бак, а также колебаний поверхности раздела между газовым и жидкостным объемами в баке.
Технология получения информации с моделированием процессов в баке
Определение характеристик СП с моделированием процессов в баке возможно в результате проведения расчетных и экспериментальных работ. Известные методы расчетного определения массового расхода газа наддува для получения требуемых значений давления и температуры топлива при подаче его из бака в двигатель базируются на численном решении дифференциальных уравнений с распределенными параметрами в жидком компоненте топлива, в газовом объеме и на стенке бака. Для описания взаимодействия газа с жидкостью и стенкой бака и замыкания этих уравнений используют эмпирические данные, получаемые в результате опыта создания ДУ или исследований с моделированием на ЭУ интенсивности тепломассообмена, ожидаемого в условиях натурной эксплуатации [4].
Методически испытания на ЭУ рассматриваются как совокупность технологических операций, образующих различные по своим задачам, но идентичные по информационному содержанию контуры управления объектом испытания, средствами испытания, режимами проведения испытания, позволяющие имитировать предстартовые и полетные условия эксплуатации ДУ.
Разработанная в НИЦ РКП система получения требуемой информации представлена на рис. 1 в виде совокупности необходимых технологических операций. Исходным моментом для работы в этой системе являются результаты проектирования СП ДУ. Они позволяют сформулировать допустимые границы изменений основных параметров процессов в натурном баке, размеры модельного бака, физико-математическую модель расчета и имитируемые граничные условия, определяющие интенсивность теп-лопереноса.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Нет
Выпуск проекта СП ДУ
1
Определение допустимых значений mr и Нж I Определение масштаба модельного бака и внутрибаковых устройств Определение модели расчёта и имитируемых граничных условий 1
Подготовка технических и программных средств для проведения работ на ЭУ
Формирование критериев подобия и режимов имитации эксплуатационных факторов
Прогнозирование
значений тг и Нж <-
для натурного бака
Определение готовности СП к работамв составе ДУ
Рис. 1. Технология получения информации при отработке системы питания на экспериментальной установке с моделью бака Fig. 1. The technology of information generation at optimization process of fuel supply system in an experimental set with a tank model
В общем случае нормального функционирования ДУ при подаче газа наддува в топливные баки его теплосодержание (6гвх) расходуется на совершение полезной работы по вытеснению жидкого компонента топлива из бака в двигатель и изменение внутренней энергии газа в объеме бака, идущего на прогрев верхнего слоя жидкого компонента и стенок конструкции бака.
Исследования энергораспределения в баке ЭУ связаны с проведением измерений параметров процессов. Для этого ЭУ оснащают средствами измерений следующих параметров: температуры по высоте объема жидкости, газового объема, а также стенок бака; уровня жидкости и давления в баке; концентрации смеси в газовом объеме бака; расхода газа при наддуве и сливе жидкости из бака; расхода жидкости, температуры, давления и сплошности в расходной магистрали.
Уточнение механизма внутрибаковых процессов и ожидаемой интенсивности тепломассообмена це-
лесообразно производить после оценки кондиционности экспериментальных данных, полученных при работах на ЭУ. Кондиционность данных необходимо подтвердить по сходимости теплового баланса выполнением равенства
фг + фж + фст = 1. (1)
В этом равенстве:
фг = АРбУж%ж/тг1г%над - доля теплосодержания газа наддува, расходуемого на совершение работы подачи топлива из бака в двигатель и изменение внутренней энергии газового объема в баке (считая начальное теплосодержание в газовой подушке пренебрежимо малым значением), Рб - давление в баке, Уж - объемный расход жидкого топлива из бака, тг - массовый расход газа наддува на входе в бак, /г - удельное теплосодержание газа на входе в бак, тж и тнад - продолжительность выработки топлива из бака и наддува бака; А - тепловой эквивалент механической работы;
■ J
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (67) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
19
фж = ^жржЯжА/ж/даг/гАхнад - доля теплосодержания газа наддува, расходуемого на прогрев жидкости, А/'ж - изменение удельного теплосодержания жидкости, рж - плотность жидкости, Еж и Нж - площадь поверхности и глубина прогрева верхнего слоя жидкости, тг - массовый расход газа наддува, Атнад - продолжительность наддува;
фст = FCISCIрCIАiCI/mгiгАxнад - доля теплосодержания газа наддува, расходуемого на прогрев стенки бака, А^т - изменение теплосодержания стенки, не смачиваемой в данный момент времени жидкостью, рст - плотность материала стенки, ^ст и 5ст - площадь поверхности и толщина стенки.
Продуктом испытания на ЭУ по разработанной технологии является информация о готовности системы наддува бака к функционированию в составе СП ДУ. Заключение о готовности базируется на результатах:
- определения для ожидаемых условий эксплуатации СП величин и характера изменений давления в баке и потребного расхода газа наддува, температуры и глубины прогрева в объеме жидкости;
- сходимости расчета по принятой физико-математической модели с экспериментальными данными при имитации эксплуатационных условий.
Предложенная технология апробирована при отработке внутрибаковых процессов и оценках надежности функционирования кислородно-водородных ДУ ракеты-носителя «Энергия» и разгонного блока «КРБ». При этом обеспечивалась сходимость расчетных значений параметров процессов с экспериментальными данными в пределах 15%.
Метод экспериментальной отработки СП ДУ ракет с применением модели бака позволяет до создания окончательного варианта полноразмерной конструкции оценить влияние различных конструктивных, режимных и эксплуатационных факторов на ее работоспособность при незначительных энергетических и материальных затратах. Разработанная технология может быть рекомендована для определения характеристик СП перспективных ДУ.
Влияние температуры газа наддува на процессы в баке
В общем случае эффективность превращения тепла - 0гвх, которое содержит газ наддува на входе в топливный бак, в работу вытеснения компонента топлива из бака - Ьб на основе эксергетического метода исследований [5] можно представить в виде соотношения
Фг = ¿б/бгвх. (2)
Поэтому фг можно считать эксергетическим коэффициентом, характеризующим работоспособность газа наддува.
Влияние температуры газа наддува на процессы в баке изучалось при испытаниях ЭУ с баками цилинд-
рической и сферической формы с применением криогенных и высококипящих жидкостей, при использовании разного рода газа наддува (одноименного с жидкостью газа, гелия, азота, продуктов сгорания в газогенераторе). При этом отношение температуры газа наддува к температуре жидкости в баке и отношение поверхности бака к его объему варьировались соответственно в диапазонах: Тгах/Тж = 1,2-20; Еб/¥б = 1,4-5,8.
Результаты экспериментальных исследований по влиянию Тгвх/Тж на процессы в баке были обобщены [6] в виде зависимости
фг = (Тгвх/7ж)Р, (3)
где в = 0,2575 + 0,3467(^б/Кб)(Лг/сг) - эмпирический коэффициент, учитывающий размеры бака (отношение поверхности к его объему ¥б) и род газа наддува (отношение газовой постоянной к изобарной удельной теплоемкости газа сг).
Рассмотрение зависимости (3), полученной Лед-невой Л.П., позволяет установить, что рост температуры газа наддува на входе в бак уменьшает его работоспособность в связи с интенсификацией тепло-переноса и ростом потерь энергии газа на прогрев жидкости и несмоченной стенки бака. Максимальная работоспособность газа может быть обеспечена при Тгвх = Тж, но при этом увеличивается потребный расход газа наддува и масса системы наддува.
Оптимизацию массы системы наддува, являющейся частью СП, можно обеспечить при значениях Тгвх больших, чем Тг и Тжв баке. Результаты расчетов на рис. 2 с использованием зависимости (3) показывают, что уменьшение тг при росте Тгвх /Тж имеет гиперболический характер.
1
2
0 10 20 Тг/Тж 30
Рис. 2. Влияние температуры на потребный расход гелия для наддува бака с жидким водородом: тг и тж - массовый расход газа при наддуве гелием с Тг > Тж и Тг = Тж соответственно; 1 - F6/V6 = 3; 2 - F6/V6 = 1,5 Fig. 2. Temperature influence on helium consumption needed for a tank pressure charged with liquid hydrogen: тг and тж - the amount of gas consumption when pressure charged with helium with Тг > Тж and Тг = Тж respectively; 1 - F6/V6 = 3; 2 - F6/V6 = 1,5
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Влияние скорости газа наддува на процессы в баке
Влияние скорости газа наддува на процессы в баке изучалось при варьировании ее величины и направления подачи газа в свободный от жидкости объем бака. Оба эти фактора оказывают влияние на деформацию поля температур в свободном объеме бака. Деформация поля температур связана с охлаждением газа от Ттх до Тг или Тж. Охлаждение газа за счет теплоотдачи жидкости к стенке бака уменьшает величину фг.
По результатам экспрериментов в области значений Яаг = 109-1015 подтверждено, что осредненные по поверхности величины коэффициента телоотдачи к несмоченной части стенки бака соответствуют механизму конвекции при свободном движении с турбулентным пограничным слоем [5] и описываются зависимостью вида
0,70
фг
Шг = 0,135•RaГQ
(4)
где Ыпг - безразмерный критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность теплопередачи от газа наддува к стенке бака, Яаг - безразмерный критерий Релея в газовом объеме бака.
Однако при оценках влияния скорости газа на процессы в баке следует учитывать ряд особенностей, связанных с направлением ввода газа. Например, в цилиндрическом баке возможна подача газа по направлению вертикальной оси (к верхнему днищу или к свободной поверхности жидкости на границе раздела фаз в баке) и вдоль радиуса бака, а также их сочетание. На основе проведенных исследований установлено, что минимальные потери энергии газа наддува на прогрев стенок бака имеют место при осевой подаче газа к свободной поверхности жидкости. При таком направлении ввода уменьшается контакт газа со стенкой и уменьшаются термические напряжения в конструкции бака, обеспечивается лучшее перемешивание газового объема бака и повышается его среднемассовая температура. Величина фг при осевой подаче газа к поверхности жидкости может иметь значения 0,3-0,65, а при радиальной - 0,2-0,42.
Существует значение скорости газа, при котором коэффициент эксергии имеет максимальную величину, что иллюстрируют экспериментальные данные, приведенные на рис. 3. Увеличение скорости газа сначала способствует росту фг в связи с улучшением перемешивания газового объема в баке. После достижения максимальной величины фг увеличение скорости газа интенсифицирует теплоотдачу в жидкость, что уменьшает фг. Эти данные были обобщены [7] в виде полинома
фг = - Q,QQ4x6 + Q,Q6x5 - Q,363x4 +1,149х3 -- 1,99х2 + 1,б9х + Q, 119,
(5)
где х = К„-10-, К = ^гвх/^ж - безразмерная скорость газа, wгвх и wж - скорость движения газа на выходе из газоввода и скорость жидкости при ее выработке из бака.
♦ ♦
щ
/ ♦ ♦
/
1
♦
I
i
t
Kw 10-3
Рис. 3. Влияние скорости ввода газа наддува на его работоспособность в баке Fig. 3. Speed of pressurant gas influence on the functionability in the tank
Установлено, что параметром, определяющим перемешивание газового объема, является безразмерная величина ljd3 - дальнобойность струи. При осевой подаче газа наддува в бак, изменяя дальнобойность, можно получить оптимальное значение фг, осредненное за время наддува. Для определения дальнобойности струи при осевой подаче газа предложена эмпирическая зависимость
ljd3 = 5Ar°:
(б)
где ¡п - длина зоны Тг, соответствующая полному температурному перемешиванию в газовом объеме бака, йэ - эквивалентный диаметр отверстий газоввода на входе в бак, Аг = (1 - ргвх/рг) ^^гвх2) - критерий Архимеда, ргвх и рг - плотность газа на входе в бак и в баке при Тгвх и Тг, wгвх = (4тг)/(ргвх^э2п) - скорость газа на входе в бак, g - ускорение свободного падения. Зависимость (6) получена в области значений Аг = 6,5-10-5 - 9,8 при величинах ¡п/ёэ до 100.
Влияние колебаний свободной поверхности жидкости на процессы в баке
При хранении и подаче из бака к двигателю криогенной жидкости происходит ее прогрев. Этот процесс, осуществляемый за счет теплопритока через смоченную поверхность бака и через свободную поверхность на границе раздела фаз, приводит к термическому расслоению в объеме жидкости. Теплопри-ток через смоченную поверхность реализуется в результате свободной конвекции в жидкости, а теплоприток через свободную поверхность - в результате эффективной теплопроводности верхнего слоя жидкости. Величина и характер термического расслоения зависит от количественного соотношения этих теплопритоков.
Экспериментальные исследования влияния низкочастотных колебаний поверхности криогенной жидкости на интенсивность тепломассообмена проводились с заполнением на ЭУ жидким водородом
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (67) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
или кислородом модельных цилиндрических баков со сферическими днищами, имеющих объем 9,6 м3.
Геометрическая модель бака 1 была установлена на подвижную платформу 2 (рис. 4), колебания поверхности жидкости осуществлялись в диапазоне частот /ж = 0-1 Гц и амплитуд колебаний Аж = 0-0,8 м путем угловых гармонических качаний бака относительно вертикальной оси при значениях у от 0 до 1 градуса. При экспериментах благодаря экранно-вакуумной теплоизоляции величина теплопритока к жидкости через смоченную поверхность бака не изменялась, а через свободную поверхность варьировалась за счет увеличения нагрева газа, уменьшения температуры жидкости и изменений режимов колебаний.
Рис. 4. Схема возбуждения линейных колебаний свободной поверхности жидкости в области частот f < 0,4 Гц.
В области частот f > 0,4 Гц реализовывались нелинейные
колебания с плесканиями жидкости до ВТВ Fig. 4. The scheme of linear fluctuation initiation on the free liquid surface at f < 0,4 Hz. Non-linear fluctuations implemented in the frequency range of f > 0,4 Hz with liquid splashing to the upper level in the tank
Максимальная глубина прогрева наблюдалась в начальные моменты времени колебаний (при значениях безразмерного времени Fo < 1,5-10-5), а затем (при значениях Fo > 1,5-10-5) происходило наполнение температурного профиля по высоте объема жидкости в баке без увеличения глубины прогрева. При режимах нелинейных колебаний, близких к резонансным /р = 0,7 Гц, происходил прогрев компонента вплоть до температуры насыщения, соответствующей давлению в баке, на глубине до 2/3 высоты столба жидкости. Основное влияние на изменения температуры жидкости при колебаниях свободной поверхности оказывала амплитуда колебаний (рис. 5).
Нб, м 1,2
2,4
3,2
20 22 24 Т К 26
1 ж, Jv
Рис. 5. Экспериментальные данные по влиянию на прогрев верхнего слоя жидкого водорода в модели с R6 = 1 м при колебаниях свободной поверхности в течение 600 с и изменениях Аж в диапазоне от 0 до 0,8 м Fig. 5. Experimental data: the influence of free surface fluctuation on the temperature change in liquid hydrogen in the experimental model with R6 =1 m, t = 600 s, Аж= 0-0,8 m
Определены особенности теплопередачи из газового объема в жидкость [8]. При колебаниях свободной поверхности эффективная теплопроводность верхнего слоя жидкости в 102-105 раз больше теплопроводности жидкости при свободной конвекции. Интенсификация прогрева жидкости связана с увеличением эффективной теплопроводности и поверхности контактного теплообмена между газом и жидкостью, а также стенкой бака и жидкостью. При этом частичное разбрызгивание и испарение жидкости способствует охлаждению газового объема и конденсации газа наддува.
Исследования по изменению теплосодержания жидкости при вынужденных низкочастотных колебаниях свободной поверхности криогенного топлива в баках с водородом и кислородом были обобщены [7] в безразмерной форме в виде зависимости
NuJNu = С-Рем", (7)
где NuH = дсвЯБ/Яж(Т5 - Тжо) и Nu - значения безразмерных коэффициентов теплоотдачи в жидкость при вынужденных колебаниях ее свободной поверхности и без колебаний (свободная конвекция при значении критерия Яаж ~ 1014); дсв - теплосодержание верхнего слоя жидкости, отнесенное к свободной поверхности жидкости, Яб - радиус бака, Ts - температура жидкости, соответствующая состоянию насыщения при давлении в баке, Тжо - начальное значение температуры жидкости в баке; Рем = Аж/жЯБ/аж - модифицированный критерий Пекле, Аж и /ж - амплитуда и частота колебаний жидкости, а - коэффициент тем-
J*---j ь= r
/ Г
(у
Ol 4
1 ► 1
* > 1
i ► 1
1 :
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
пературопроводности при свободной конвекции жидкости в баке; С и п - числовые значения, которые характеризуют форму колебаний, приведены в таблице; Ев = ажтк/Яб2 - критерий Фурье.
Числовые значения, характеризующие форму колебаний Numerical data characterizing the mode shape
Fo105 Линейные колебания Нелинейные колебания
С n C n
< 1,5 2,5647 0,0509 0,0003 0,6325
> 1,5 0,0691 0,2886 0,0004 0,7443
Графическая интерпретация зависимости (7) в случаях линейных и нелинейных колебаний для моментов времени реализации процесса до и после получения максимальной глубины прогрева Ев < 1,5-10-5 < Ев приведена на рис. 6. Зависимость (7) справедлива для области значений Ыык/Ыы = 1-30, Рем = 104-2-106, Ев < 8,3-10-5.
з /
. —1 FT ш-,4—
♦ '4 J L. п ? 4: ■■ -
о
, J..........MJNI.................
103 105 Pem 107
Рис. 6. Результаты обобщения экспериментальных данных по интенсивности теплоотдачи в жидкость при низкочастотных колебаниях в баке ее свободной поверхности: 1 и 2 - при линейных колебаниях, 3 и 4 - при нелинейных колебаниях Fig. 6. The results of experimental data generalization: the intensity of heat emission in the liquid at low-frequency fluctuation of the free surface in the tank: 1 and 2 - at linear vibrations; 3 and 4 - at non-linear vibrations
При линейных колебаниях коэффициент конвективной теплоотдачи в жидкость слабо зависит от частоты и амплитуды колебаний. В этих случаях теплоотдача через поверхность на границе раздела фаз в 1,2-4,5 раза выше, чем теплоотдача при свободной конвекции. При нелинейных колебаниях интенсивность теплоотдачи гораздо больше - в 2-30 раз. Низкочастотные колебания межфазной поверхности не оказывают влияния на интенсивность теплообмена газа наддува с несмоченной стенкой бака. По данным экспериментов, теплообмен в этом случае описывается зависимостью (4).
Поглощение жидкостью значительной доли энергии газа, одноименного с жидкостью, требует увеличения его расхода. Например, при необходимости поддержания постоянной величины давления в баке с жидким водородом при его подаче в двигатель расход газообразного водорода может возрасти в 5 раз по сравнению со случаем функционирования без колебаний.
При движении летательных аппаратов или различных наземных средств с криогенной жидкостью за счет действия внешних сил происходят колебания свободной поверхности жидкости на границе раздела фаз и интенсивная теплоотдача в жидкость. Эксперименты подтвердили, что в этих случаях уменьшение расхода газа наддува, теплового расслоения и глубины прогрева жидкости возможно за счет демпфирования колебаний и использования гелия для наддува бака. Но большая растворимость гелия в жидком водороде ограничивает режимы, при которых его применение для наддува бака может быть целесообразным [7].
Заключение
Для подтверждения надежного функционирования двигательных установок ракет проведены исследования интенсивности тепломассообмена в баках систем питания криогенными компонентами (водородом и кислородом). Исследования проводились на экспериментальных установках с применением геометрической модели натурного бака и с имитацией режимов его эксплуатации.
В результате проведенных работ усовершенствован метод определения значений расхода газа наддува натурных баков и прогрева криогенных компонентов топлива в них, базирующийся на одновременном осуществлении расчетных и экспериментальных операций. Разработана система получения информации, требуемой для формирования заключения о готовности системы питания к функционированию в составе двигательной установки. Метод позволяет до создания окончательного варианта полноразмерной конструкции при незначительных энергетических и материальных затратах оценивать влияние различных констукторских решений, режимных и эксплуатационных факторов на работоспособность системы питания.
Проведены исследования влияния на интенсивность тепломассообмена в баках с криогенными компонентами температуры и скорости газа на входе в бак, а также колебаний поверхности жидкости на границе раздела газовой и жидкой фаз в баке. Получены в безразмерном виде зависимости для определения: коэффициента эксергии газа наддува от изменений температуры и скорости газа на входе в бак, коэффициента теплоотдачи в жидкость от изменений режимов низкочастотных колебаний поверхности раздела фаз в баке. Эти данные использованы для оптимизации работы систем питания кислородно-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (67) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008
водородных двигательных установок блоков «Ц» и «КРБ» ракет-носителей «Энергия» и «GSLV».
В связи с перспективой применения жидкого водорода как экологически чистого и энергетически выгодного рабочего тела полученные зависимости могут найти применение в дальнейшем при создании энергоустановок летательных аппаратов, морского и наземного транспорта.
Список литературы
1. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985.
2. Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М.: Машиностроение, 1988.
3. Бершадский В.А., Галеев А.Г., Зяблицев Г.Н. и др. Определение характеристик системы наддува бака ДУ с жидким водородом при имитации эксплуатационных режимов работы // Труды Международной конференции по авиакосмическим системам. М.: Российская инженерная академия, 1993. Т. 4. С. 282-291.
4. Бершадский В. А. Методические аспекты определения характеристик систем наддува двигательных установок ракет с применением модельного бака // Авиакосмическая техника и технология. 2004. № 2. С. 26-31.
5. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1975.
6. Денисов К.П., Галеев А.Г., Бершадский В.А. и др. Методическое руководство для испытателей и конструкторов РКТ по наземной экспериментальной отработке ЖРДУ и космических аппаратов // НИИХимМаш, 1996. Т. 1. С. 21-37.
7. Бершадский В. А. Испытания с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов топлива при отработке ракетных двигательных установок. Докторская диссертация. М., 2001.
8. Бершадский В.А., Денисов К.П. Тепломассообмен в ограниченном объеме с криогенной средой при низкочастотных колебаниях поверхности раздела фаз // Труды Российской конференции по теплообмену. М: Московский энергетический институт, 1994. Т. 2. С. 37-42.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
