CC BY
73
Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»
УДК 621.454.2
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
А. С. Торгашин, А. Ю. Леонгард, В. Е. Черепахин Научный руководитель - А. А. Зуев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: ttarg23@gmail.com
Авторами разработано программное обеспечение, позволяющее провести термодинамический расчет и расчет охлаждения камеры ЖРД.
Ключевые слова: программное обеспечение, термодинамический расчет, охлаждение ЖРД.
SOFTWARE THERMODYNAMIC CALCULATION
A. S. Torgashin, A. U. Leongard, V. E. Cherepahin Scientific supervisor - A. A. Zuev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: ttarg24@yandex.ru
The authors have drawnup a program for calculating the parametersof the chamber wallalong thelengthof the nozzle, aswellas allow stosimplify data analysis.
Keywords: program analysis, thermodynamic calculation.
Надежное охлаждение камер ЖРД является важнейшей задачей проектирования. Расчет охлаждения камер имеет ряд особенностей: процессы протекают при высоких температурах и соответственно высоких лучистых тепловых потоках, для охлаждения камеры используется компонентов топлива. Недостаточное охлаждение может привести к разрушению материала стенки камеры. Вследствие не обеспечения требуемого расхода компонента может привести к вскипанию топлива и как следствие падению энергетических характеристик двигателя в целом. С другой стороны избыточный перерасход приводит к увеличению массово габаритных характеристик и дополнительным энергетическим потерям в тракте охлаждения.
Разработано специализированное программное обеспечение термодинамического расчета и расчета охлаждения камеры ЖРД. Программное обеспечение позволяет провести расчет горения компонентов топлива и определить температуру продуктов сгорания и состав. Определить распределение параметров температуры, давления и скорости по длине дозвукового и сверхзвукового сопла. Провести расчет регенеративного охлаждения камеры и сопла ЖРД [1].
Расчет горения позволяет определить удельную формулу топлива, массовое стехиометрическое соотношение компонентов топлива, массовое действительное соотношение компонентов и коэффициент избытка окислителя, полную энтальпию топлива. Значение энтальпии позволяет определить температуру продуктов сгорания. Для определения равновесного состава продуктов сгорания используются три типа уравнений: четыре уравнения баланса элементов, шесть уравнений химического равновесия и закон Дальтона. Решение системы уравнений ведется численным методом путем последовательных приближений, изначально задавшись парциальным давление водорода. Проверку решения уравнений осуществляем по закону Дальтона, баланса элементов и полной энтальпии.
Далее определяются параметры распределение скорости, давления и температуры в критическом сечении и по длине дозвукового и сверхзвукового сопла.
Расчет охлаждения ведется в следующей последовательности. Вся камера ЖРД разбивается на определенное количество элементов. Записывается и решается система уравнений теплового баланса. Для решения системы необходимо определить коэффициенты теплоотдачи от продуктов сгорания
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
к стенке камеры, от стенки тракта охлаждения к охлаждающему компоненту, а так же лучистыи тепловой поток. Для определения удельного конвективного теплового потока используем критериальную зависимость Гухмана-Илюхина:
Nu = 0,0162Pe
0,82
f
T
\
0,35
00
T
V г.ст y
Для определения удельного конвективного теплового потока тракта охлаждения используем критериальную зависимость [1]:
Nu = PrRe
1
m
am-1(m + 2)(m + 3)Reu
2 3+m
" т +1 Pr-
3 + т
где т = 7 турбулентного течения в тракте, а также учитываем коэффициент оребрения.
Так же необходимо учесть лучистый тепловой поток от продуктов сгорания. Исходя из найденного состава продуктов сгорания определяем парциального давления, находим излучательную способность паров воды и углекислого газа [2]. Учитывая переизлучательную способность газообразных компонентов, определяем излучательную способность продуктов сгорания и эффективную излуча-тельную способность стенки.
В связи с тем, что используется регенеративное охлаждение по схеме противоток, в алгоритме необходимо условно задать температуру охлаждающего компонента на выходе из тракта охлаждения и сравнить с расчетным. Решение ведется методом последовательных приближений до момента выполнения условий сходимости результатов.
н^1 Расчет охлаждения при течении rasa в сопле
Исходные Геометрия с1 Т р | Распределение альфа Температуры
Пример расчета распределения температур по длине камеры ЖРД
Алгоритм и программа расчета позволяют определять распределение по длине камеры ЖРД температуры стенки со стороны продуктов сгорания, температуры стенки со стороны тракта охлаждения, температуры охлаждающего компонента топлива (см. рисунок).
Библиографические ссылки
1. Кишкин А. А., Зуев А. А., Леонов В. П. Локальная теплоотдача в граничных условиях тур-бомашин. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 1 (658). С. 3-10 с.
2. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов, 2-е изд., перераб и доп. / под ред. Д. А. Ягодникова. М. : изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 48 с.: ил.
© Торгашин А. С., Леонгард А. Ю., Черепахин В. Е., 2015
