Исследование возможности форсирования кислородно-водородного двигателя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Секция ««ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»

УДК 533.6.011.72

В. А. Панченко Научный руководитель - В. П. Назаров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРСИРОВАНИЯ КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Исследуется возможность форсирования двигателя для разгонного блока, работающего на криогенных компонентах топлива - жидкий кислород и жидкий водород. Приводятся выходные параметры ЖРД при форсировании и дросселировании.

Вопрос о перспективах и приоритетах развития ракетного двигателестроения становится одним из наиболее актуальных в отечественной и зарубежной ракетно-космической отрасли. Количество и масса полезного груза для вывода в космическое пространство постоянно растут. В связи с этим необходимо повышать и улучшать характеристики средств выведения, а также повышать их надежность. Проведенный анализ требований, предъявляемых к энергетическим, массовым, габаритным, стоимостным и эксплуатационным характеристикам двигателей космических разгонных блоков (РБ) показал, что кислородно-водородные ЖРД, работающие по замкнутой схеме газогенерации, в течение длительного времени будут основным типом двигателей, используемых в космических РБ для выведения перспективных космических аппаратов [1].

Наряду с созданием новых образцов двигателей рассматриваются возможности доработки конструкции и повышения эффективности характеристик и параметров существующих моделей. Одним из вариантов подобной модернизации двигателя является форсирования его тяги [2]. В данной работе ведется исследование возможности форсирования на 25 % тяги кислородно-водородного двигателя разгонного блока российского производства, эксплуатируемого в настоящее время на индийской ракете в8ЬУ.

Для выполнения расчета параметров двигателя была использована компьютерная программа, используемая расчетным отделом Конструкторского бюро химического машиностроения имени А. М. Исаева (г. Королев Московской обл.). Она представляет собой математическую модель двигателя КВД1. Входными данными программы являются характеристики агрегатов двигателя. В программу занесен набор из более ста уравнений, описывающих различные физические взаимодействия, происходящие в двигателе во время его работы. При решении этих уравнений мы получаем выходные параметры двигателя.

Приведем для примера некоторые уравнения, входящие в систему уравнений математической модели двигателя:

- расход продуктов сгорания из газогенератора

Огг = 0,3367 •

Р„,

Т 0

Р

л1

Р

V гфг

(

Р

у,

Р

V гфг У

24,8 -104

(2 •АР/гг • 0,981 •Ю5)0 5

- коэффициент соотношения компонентов в газо-

генераторе Кгг =

о„.

Огг

- коэффициент соотношения компонентов камеры

О

двигателя Кд = —^;

Огд

- удельный импульс камеры двигателя 1к =

_Рк. о.,

- расход топлива через камеру

к = гг + Ооко + Оут ;

- перепад давлений на дросселе регулятора соотношения компонентов (РСК)

АРрск =

( 0,5097 ^

»•к

рск у

о„,

уо2

- перепад давлений на дросселе регулятора тяги (РТ)

АР =

тр

( 0,5097 ^

»•к

рт у

о„,

уо2

Результаты расчета параметров двигателя при номинальном, дросселированном и форсированном режимах работы сведены в таблицу.

В результате исследования параметров и характеристик двигателя методами математического моделирования установлено, что существующая конструкция позволяет провести форсирование тяги на 11 %. Дальнейшее форсирование тяги не обеспечивается перепадами давлений на дросселирующих элементах регулятора соотношений компонентов и регулятора тяги, т. е. диапазон регулирования узлов автоматики не позволяет выполнить поставленную задачу. Одновременно в процессе исследования выявлено, что другие узлы двигателя: камера, турбонасосный агрегат, газогенератор имеют определенный запас резервирования, обеспечивающий форсирование по тяге на 25 %. Таким образом, для модернизации и форсирования тяги двигателя КВДЛ1, необходимо разработать новую конструкцию регулятора соотношения компонентов и регулятора тяги, диапазон регулирования которых должен адекватно соответствовать требуемому перепаду давлений компонентов топлива в гидравлических магистралях двигателя.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Параметр Значение

Дросселирова- Номиналь- Предел форсирования =

ние ный режим = 11 %

Тяга двигателя, кгс 7 500 8 000 8 898,5

Соотношение расходов компонентов в камере 5,760 2 5,760 2 5,760 2

Соотношение расходов компонентов в газогенераторе (ГГ) 0,511 67 0,541 6 0,594 56

Удельный импульс двигателя, с 438,1 438,09 438,06

Расход через двигатель, кг/с 17,12 18,261 20,313

Расход продуктов сгорания из ГГ, кг/с 3,622 3,938 6 4,528 8

Давление в камере, кгс/см2 59,972 63,968 71,152

Давление в ГГ, кгс/см2 77,904 84,004 99,24

Перепад давлений на дросселе РСК, кгс/см2 8,197 6,9279 3,985 3

Перепад давлений на дросселе РКС, кгс/см2 9,717 6 7,471 1,771 1

Библиографические ссылки

1. Гахун Г. Г., Баулин В. И., Володин В. А. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей : учебник / под общ. ред. проф. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989.

2. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Д. А. Ягоднико-ва. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005.

© Панченко В. А., Назаров В. П., 2011

УДК 629.7:533.6

И. С. Протевень Научный руководитель - М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

УСТРОЙСТВО ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ЖИДКОСТНОГО КОЛЬЦА В ПОЛОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА

Рассмотрена гидродинамика вращающегося жидкостного кольца в полости гидроагрегата и его устойчивость.

Гидродинамические узлы по валу высокооборотного гидроагрегата имеют разное конструктивное исполнение, обеспечивая работоспособность всей роторной системы [1]. При вращении ротора жидкость, находящаяся в полости с любым диском (рабочим колесом) так же будет вращаться и давление жидкости возрастет в радиальном направлении [2].

При бесконечно большом числе лопаток с одной стороны диска, жидкость в межлопаточном пространстве будет вращаться как твердое тело с окружной скоростью. Уравнение равновесия элементарного объема жидкости, расположенного в межлопаточном пространстве на радиусе Я толщиной ёЯ в системе координат скрепленной с этим объемом запишем в виде

ёр - gж ®ж яёя = 0.

Второй член левой части уравнения составляет величину центробежной силы обуславливающей вращающееся жидкостное кольцо с границей раздела фаз (жидкость-газ). Проанализируем устойчивость границы раздела фаз, т. е. режим, при котором жидкость потечет по стенкам полости гидроагрегата под действием гравитационной, а в случае нахождения гидроагрегата на летательном аппарате и инерционной сил. Действием газа в газовой полости пренебрегаем.

Гравитационные эффекты становятся значительными при низких скоростях вращения вала и наибольшее влияние оказывают в случае взаимно пер-

пендикулярного положения вектора угловой скорости и вектора гравитационных и инерционных сил.

Ускорение летательного аппарата будет так же стремиться разорвать зону раздела фаз и наибольшее влияние будет оказывать при одинаковом направлении с вектором сил гравитации.

Для элементарной массы вращающейся жидкости ёт величина силы, с которой жидкость будет стремиться к центру вращения, определится при одинаковом направлении гравитационного ускорения g и ускорения у ЛА.

= ёт(} + g).

С другой стороны, центробежная сила, действующая на массу ёт:

ё$2 = ёто>2жЯг = ёт®2 ф2жЯг.

Устойчивое положение поверхности раздела двух фаз будет при условии

ёт®2флЯг > ёт(у + g).

Отсюда наименьшая величина угловой скорости, при которой граница раздела фаз устойчива:

,У( g+у) Флтя;'