РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСТАНОВА БЕЗГЕНЕРАТОРНОГО КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОГО ЖРД Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

FJ

HYDROGEN ECONOMY

Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1669

The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1669

УДК 518.5:629.7.036.54-63

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОСТАНОВА БЕЗГЕНЕРАТОРНОГО КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОГО ЖРД

С.Н. Гарбера, Ю.В. Демьяненко, Е.В. Малахова, С.В. Чембарцев

ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (КБХА) 394006 Воронеж, ул. Ворошилова, д. 20 Тел.: +7(473) 263-51-85, факс: 8(473) 234-65-71, e-mail: cadbvrn@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 05.06.13 Заключение совета экспертов: 08.06.13 Принято к публикации: 10.06.13

Выполнен расчетно-экспериментальный анализ останова двигателя безгазогенераторной схемы. Исследование проведено с помощью разработанной математической модели, описывающей весь цикл установившихся и переходных режимов работы двигателя, включая запуск и останов, с учетом волновых процессов в жидкостных и газовых магистралях, а также нестационарного теплообмена в охлаждающем тракте камеры. При проведении анализа останова было выполнено сравнение результатов математического моделирования останова двигателя с экспериментальными данными огневых испытаний и предложены мероприятия, необходимые для исключения при останове двигателя опасных динамических нагрузок, в том числе перерегулирования по соотношению компонентов топлива в камере сгорания и гидроударов в магистралях двигателя.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, математическое моделирование, останов двигателя, тракт охлаждения камеры.

EXPERIMENT-CALCULATED ANALYSIS OF EXPANDER CYCLE OXYGEN-HYDROGEN LRE SHUTDOWN

S.N.Garbera, Yu.V. Demyanenko, E.V. Malakhova, S.V. Chembartsev

OSC "Design Bureau of Chemical Automation" 20 Voroshilov str., Voronezh, 394055, Russia Tel.: +7(473) 263-51-85, fax: 8(473) 234-65-71, e-mail: cadbvrn@mail.ru

Referred: 05.06.13 Expertise: 08.06.13 Accepted: 10.06.13

Experiment-calculated analysis of expander cycle oxygen-hydrogen engine shutdown was carried out. This research was done with the help of developed mathematical model. The engine model describes complete cycle of steady and transient states of engine operation modes, including startup and shutdown, with consideration wave processes in liquid and gas lines as well as unsteady heat transfer in cooling jacket of thrust chamber. While researching, shutdown mathematical simulation results are compared with experimental data of engine fire tests. Proposed actions are needed in order to avoid dangerous dynamic loads including thrust chamber mixture ratio overshoot and hydraulic impacts in engine lines.

Keywords: liquid rocket engine, mathematical simulation, engine shutdown, thrust chamber cooling jacket.

Станислав Николаевич Гарбера

Сведения об авторе: зам. начальника отдела ОАО КБХА, канд. техн. наук, Заслуженный конструктор РФ.

Основной круг научных интересов: математическое моделирование процессов в жидкостных ракетных двигателях и энергетических установках.

Публикации: более 10 научных работ, 6 авторских свидетельств и 4 патента.

Юрий Васильевич Демьяненко

Сведения об авторе: начальник отдела ОАО КБХА, д-р техн. наук.

Круг научных интересов: разработка турбонасосных агрегатов для ЖРД и энергетических установок различного назначения, антикавита-ционная устойчивость высокооборотных насосных систем.

Публикации: более 60 научных работ, монография, 7 авторских свидетельств и 7 патентов.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

I V , ■ 71

Елена Викторовна Малахова

Сведения об авторе: начальник группы ОАО КБХА.

Круг научных интересов: математическое моделирование процессов в жидкостных ракетных двигателях и энергетических установках, системное программирование.

Публикации: 10 научных работ.

Сведения об авторе: начальник отдела ОАО КБХА, Заслуженный конструктор РФ.

Основной круг научных интересов: математическое моделирование процессов в жидкостных ракетных двигателях и энергетических установках.

Публикации: более 10 научных работ, 1 авторское свидетельство и 3 патента.

Сергей Владимирович Чембарцев

Принятые сокращения

БТНАО, БТНАГ - бустерные турбонасосные агрегаты окислителя и горючего соответственно; ТНАО, ТНАГ - турбонасосные агрегаты окислителя и горючего соответственно; ДРР - дроссель для регулирования двигателя по соотношению компонентов топлива; РР - регулятор режима двигателя по тяге; ЗУ - запальное устройство; КС - камера сгорания; СК - сопло камеры; ДГПН - давление горючего после насоса; ДОПН -давление окислителя после насоса; ДОПДР - давление окислителя после дросселя; ДГФК - давление горючего перед форсунками камеры; ДКС - давление в камере сгорания; ОТГ - частота вращения ротора ТНАГ; ОТО - частота вращения ротора ТНАО; Кт - соотношение компонентов в камере; КР - конечный режим работы, ОР - основной режим работы.

Accepted abbreviations

OBTPA, HBTPA - oxygen and fuel boost turbopump assemblies correspondingly; OTPA, HTPA - oxygen and fuel turbopump assemblies correspondingly ; THR - throttle for fuel mixture ratio control; REG - regulator of thrust operation mode; Ign - igniter; CC - combustion chamber; NZL - nozzle; HPmpDP - hydrogen pump downstream pressure; OPmpDP - oxygen pump downstream pressure; OThrDP - oxygen throttle downstream pressure; HInjP -hydrogen chamber injectors pressure; CCP - combustion chamber pressure; HTrbRotSp - HTPA rotor rotation speed; OTrbRotSp - OTPA rotor rotation speed; Rm - mixture ratio in combustion chamber; FM - final operation mode; BM - basic operation mode.

Введение

КБХА является ведущим разработчиком жидкостных ракетных двигателей для ракетоносителей (РН) различного назначения. В настоящее время в КБХА разрабатывается кислородно-водородный ЖРД для верхних ступеней РН и разгонных блоков. Этот двигатель представляет собой однокамерный ЖРД многократного включения, выполненный по безгенераторной схеме с раздельными турбонасос-ными агрегатами по каждому компоненту топлива. Привод турбин агрегатов ТНАО и ТНАГ осуществляется последовательно подогретым водородом в тракте охлаждения камеры. О высокой надежности кислородно-водородных двигателей, выполненных по безгенераторной схеме, свидетельствует более чем 40-летний опыт эксплуатации всех модификаций двигателя RL10 с реализацией более 600 запусков в космосе. Пневмогидравлическая схема этого двигателя представлена на рис. 1.

В КБХА математическое моделирование работы ЖРД применяется на всех этапах проектирования и доводки двигателей. Одной из главных задач математического моделирования ЖРД является сокращение средств и сроков на стендовую и летную доводку двигателей.

Для исследования работы безгенераторного двигателя на стационарных и переходных режимах, включая запуск и останов, в КБХА разработана математическая модель полного цикла работы двигателя (функциональная модель) [1]. Данная математическая модель построена по агрегатному принципу. Частотный диапазон физических процессов, описываемых разработанной функциональной моделью, составляет ~ 100 Гц.

Тестирование разработанной математической модели безгазогенераторного кислородно-водородного двигателя проводилось с использованием экспериментальных данных огневых испытаний двигателя, в ходе которых установлено хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных [1].

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Слив при останове Drain during shutdown

Слив при останове Drain during shutdown

Г////////////////// у у

//s/sd?/////////

9 пА —□.....

V_

//////////////д^м

//////////////////

Слив при останове Drain during shutdown

Рис. 1. Пневмогидравлическая схема безгазогенераторного двигателя: 1, 2 - БТНАО, БТНАГ соответственно;

3, 4 - ТНАО, ТНАГ соответственно; 5 - ДРР; 6 - РР; 7 - ЗУ; 8 - клапан; 9 - КС; 10 - СК Fig. 1. Pneumohydraulic schematic representation of expander cycle engine: 1, 2 - OBTPA, HBTPA correspondingly; 3, 4 - OTPA, HTPA correspondingly; 5 - THR; 6 - REG; 7 - Ign; 8 - valve; 9 - CC; 10 - NZL

Задача исследования

Целью данной работы является расчетно-экспериментальный анализ изменения параметров кислородно-водородного двигателя, выполненного по безгенераторной схеме, при останове и оптимизация циклограммы выключения двигателя. Под остановом ЖРД понимается цикл операций и переходных процессов, происходящих на отрезке времени между подачей первой команды на выключение и падением тяги двигателя до нуля. Вопросы запуска указанного двигателя рассматривались в работе [2].

При останове в магистралях и агрегатах двигателя на переходном режиме могут возникать опасные забросы по давлению и температуре рабочей среды, а также другие явления, связанные с работой агрегатов автоматики при снижении режима работы двигателя и изменении соотношения компонентов топлива в камере [3, 4]. В циклограмме останова порядок выдачи команд должен быть выбран так, чтобы исключить возможность возникновения опасных динамических нагрузок и тем самым обеспечить сохранность двигателя в рабочем состоянии.

Результаты расчетно-экспериментального анализа останова двигателя

Штатный останов двигателя осуществляется с конечного режима работы, которому соответствует режим, равный 50% номинальной тяги. Переход двигателя с основного режима на КР осуществляется системой управления с помощью регулятора режима и дросселя соотношения компонентов. Согласно существующей циклограмме, останов двигателя реализо-вывается следующим образом: одновременно подаются команды на закрытие клапана окислителя камеры и открытие клапана слива горючего из-за насоса (см. рис. 1), затем через ~ 0,2 с закрывается клапан горючего камеры. Клапан слива окислителя открывается при снижении давления на входе в клапан ниже ~ 20 бар. Так как клапан окислителя камеры и клапан слива горючего имеют различные времена срабатывания, то и выполнение команд может происходить не одновременно, а с некоторым разбросом по времени. В данной работе приведено расчетно-экспериментальное исследование влияния этого фактора на изменение параметров двигателя при останове.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

O

H

2

2

5

7

LOO

Давление, бар

"L-'ITIIII (í IPmpHIM — ЛОПНШРпфПР) f |Л0Г1ДР íOTIirDP)

Частота вращения, об Ашн

0,1

0,2 0,3

a

100000

60000

ОТГ 11-ITrbRolSp>|

20000

0,4 Время,с 0,5

Давление, бар

Частота вращения, об^гин; Km

100000

60000

- 20000

0,1

0,2 0,3

b

0,4 Врсмя'с 0,5

Рис. 2. Изменение параметров двигателя при останове с режима КР (закрытие клапана окислителя камеры на 0,05 с позже открытия клапана слива горючего из-за насоса): a - экспериментальные данные; b - моделирование Fig. 2. Engine operation parameters evolution at shutdown operation started from FM under condition that TC oxygen valve closure occurs on 0,05 s later than opening of hydrogen pump downstream drain valve: a - fire test data; b - simulation

Поведение основных параметров двигателя при останове двигателя с КР на испытании № 1, когда клапан окислителя камеры закрывается на ~ 0,05 с позже, чем открывается слив из-за насоса горючего, показано на рис. 2, а. Моменту открытия клапана слива горючего соответствует начало снижения давления за насосом горючего, а времени закрытия клапана окислителя - повышение давления кислорода за дросселем.

Полученные при помощи функциональной модели результаты расчета изменения основных параметров двигателя при останове с режима КР по указанной циклограмме приведены на рис. 2, Ь. Как следует из результатов моделирования, соотношение компонентов в камере сгорания в течение ~ 0,05 с (с момента открытия клапана слива горючего и до закрытия клапана окислителя) возрастает до стехиометрического и

одновременно уменьшается расход водорода на охлаждение камеры. Это может приводить к подгарам (нарушению целостности) конструкции камеры.

Опережающее закрытие клапана окислителя камеры по отношению к открытию клапана слива из-за насоса горючего приводит к кратковременному росту оборотов ТНАО и ТНАГ, повышению давления за насосом окислителя, а также увеличению гидроударов по линии окислителя по сравнению со штатной циклограммой. На рис. 3, а показано изменение параметров двигателя при останове с режима КР двигателя при испытании № 2. Согласно этим данным, закрытие клапана окислителя камеры произошло на ~ 0,02 с раньше открытия слива из-за насоса горючего. Закрытие клапана горючего камеры реализовано через ~ 0,1 с после закрытия клапана окислителя. При этом частота вращения ротора ТНАГ возросла

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

на 8,5% относительно значения на КР и давление окислителя за насосом повысилось на 40% по сравнению со значением на стационарном режиме. При этом величина давления за дросселем с учетом гидроудара повышается до 114 бар. Результаты модели-

120

Давление, бар

рования останова с режима КР для такой циклограммы показаны на рис. 3, Ь. Соотношение компонентов в камере сгорания на переходном режиме не превышает 6,0.

Частота вращения, об/мин

20000

80000

40000

120 000

- 80000

400 00

0,4 ВраМ'С 0,5

b

Рис. 3. Изменение параметров двигателя при останове с режима КР (закрытие клапана окислителя камеры на 0,02 с раньше открытия клапана слива горючего из-за насоса): a - экспериментальные данные; b - моделирование Fig. 3. Engine operation parameters evolution at shutdown operation started from FM under condition that TC oxygen valve closure occurs on 0,02 s before opening of hydrogen pump downstream drain valve: a - fire test data; b - simulation

Хорошее согласование результатов математического моделирования останова двигателя с экспериментальными данными, полученными при огневых испытаниях, позволяет заключить, что разработанная функциональная модель с приемлемой точностью описывает динамические явления в двигателе и может быть использована как для оптимизации циклограммы штатного останова двигателя с режима КР, так и для оценки параметров двигателя при аварийном выключении двигателя с режима ОР.

Для исключения при останове двигателя забросов по соотношению компонентов топлива в камере и снижения гидроударов в двигателе по линии окислителя предлагается обеспечить одновременное закрытие клапана окислителя камеры, открытие слива окислителя и открытие клапана слива из-за насоса горючего.

Результаты расчета поведения основных параметров работы двигателя с полноразмерным соплом на останове с ОР при такой циклограмме приведены на

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

рис. 4. При выполнении данного условия останов двигателя характеризуется плавным снижением основных параметров двигателя: забросы по оборотам обоих ТНА, давлениям за насосами и соотношению компонентов топлива полностью отсутствуют. Однако обеспечение одновременного (с точностью до 0,01 с) срабатывания клапанов является сложной задачей, поэтому был выполнен расчет останова двигателя с полноразмерным соплом при условии, что закрытие клапана окислителя камеры и открытие слива окислителя осуществилось на 0,05 с раньше открытия клапана слива из-за насоса горючего. Переходный

процесс останова двигателя для такой циклограммы показан на рис. 5. Как следует из результатов расчета, указанная циклограмма останова является также приемлемой. И в этом случае повышения значений давлений за насосами и соотношения компонентов топлива практически не наблюдается, отсутствует гидроудар в линии окислителя, повышение частоты вращения ротора ТНАГ по сравнению со стационарным режимом не превышает 7%. Однако для выполнения этого условия необходима конструктивная доработка клапана слива окислителя.

Рис. 4. Изменение параметров двигателя c полноразмерным соплом при останове с режима ОР при одновременном закрытии клапана окислителя камеры, открытии клапана слива окислителя и открытии клапана слива за насосом горючего Fig. 4. ^mpleted with full-sized nozzle engine operation parameters evolution during shutdown started at BM under condition that TC oxygen valve closure and opening of oxygen drain valve as well as opening of hydrogen pump downstream drain valve occur

simultaneously

Рис. 5. Изменение параметров двигателя c полноразмерным соплом при останове с режима ОР при закрытии клапана окислителя камеры и открытии клапана слива окислителя на 0,05 с раньше открытия клапана слива за насосом горючего Fig. 5. Сompleted with full-sized nozzle engine operation parameters evolution during shutdown operation started from BM under condition that TC oxygen valve closure and opening of oxygen drain valve occur on 0,05 s before opening of hydrogen pump

downstream drain valve

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 л |-© Научно-технический центр «TATA», 2013 '

Выводы

1. Разработана математическая модель полного цикла работы кислородно-водородного двигателя, выполненного по безгенераторной схеме, позволяющая проводить расчеты параметров двигателя как на стационарных, так и на переходных режимах работы, включая запуск и останов.

2. Тестирование математической модели показало хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных.

3. Проведенный анализ останова двигателя с режима КР в существующем конструктивном исполнении двигателя показал, что на переходном режиме выключения по принятой циклограмме наблюдаются:

- перерегулирование двигателя по соотношению компонентов топлива в камере (Кт ~ 9,1) на переходном режиме останова при открытии слива горючего раньше закрытия клапана окислителя камеры;

- повышение частоты вращения роторов основных ТНА и давлений компонентов за насосами, а также большие гидроудары по линии окислителя, если открытие слива горючего реализуется позже закрытия клапана окислителя камеры.

4. Для исключения при останове двигателя с режимов КР и ОР перерегулирования по соотношению

компонентов топлива в камере сгорания и гидроударов в магистралях двигателя необходимо обеспечить одновременное закрытие клапана окислителя камеры, открытие клапана слива окислителя и открытие слива горючего из-за насоса.

Список литературы

1. Гарбера С.Н., Демьяненко Ю.В., Малахова Е.В., Чембарцев С.В. Численное моделирование полного цикла работы кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя безгазогенераторной схемы // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2012. № 10. С. 10-15.

2. Гарбера С.Н., Демьяненко Ю.В., Малахова Е.В., Чембарцев С.В. Влияние теплового состояния конструкции безгенераторного ЖРД на параметры запуска // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2013. № 1, ч. 2. С. 10-16.

3. Шевяков А.А., Калнин В.М., Науменкова Н.В., Дятлов В.Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. М.: Машиностроение, 1978.

4. Беляев Е.Н., Чванов В.К., Черваков В.В. Математическое моделирование рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей. М.: МАИ, 1999.

Г'-": — TATA — LXJ

WASMA-2013 10-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА ТЕХНОЛОГИЙ И ИННОВАЦИЙ В ЭКОЛОГИИ

Время проведения: 29 - 31.12.2013

Место проведения: Россия, Москва, КВЦ «Сокольники», павильон 4.1

Тема: Экология

Факты и цифры:

Участниками выставки 2012 г. стали 80 компаний из России, Великобритании, Германии, Китая, Франции, Швейцарии, Австрии. Экспозиционная площадь увеличилась до 2500 кв.м. Wasma 2012 посетили более 2000 специалистов экологической отрасли, что в 2 раза больше по сравнению с 2011 годом.

Wasma проходит при поддержке Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), Торгово-промышленной палаты РФ, Московской промышленной палаты, Ассоциации рециклинга отходов.

С 2012 года выставка Wasma проходит в новом формате.

- Экспозиция выставки состоит из 4 тематических разделов:

- Управление отходами и рециклинг;

- Альтернативная энергетика, ресурсосберегающие технологии;

- Водоочистка и водоподготовка;

- Экология города.

Организатор — MVK в составе группы компаний ITE

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013