CC BY
39
УДК УДК 429.74 В И ТРУЩЛЯКОВ
В. Ю. КУДЕНЦОВ
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ЖИДКОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ МАЛОЙ ГРАВИТАЦИИ
Разработаны критерии для оценки энергетических параметров процесса низкотемпературной газификации жидких остатков ракетного топлива в условиях малой гравитации и неопределенности граничного положения. Проведена оценка энергетических параметров по низкотемпературной газификации топлива для различных граничных условий положения жидкости.
Ключевые слова: критерии, малая гравитация, отделяющаяся часть, ракета-носитель, жидкие остатки топлива, газификация, граничные условия, математические модели.
Выбор конструкторе ко-технологических и проектно-конструктивных параметров бортовых систем газификации в первую очередь определяется на основе анализа протекания внугрибаковых термодинамических процессов газификации жидких остатков компонентов ракетного топлива (КРТ) ракет-носителей (PH) и разгонных блоков (РБ) в условиях малой гравитации при условии нарушения сплошности газо-жидкостной смеси и неопределенности граничного и фазового состояния [1.2].
В приложении к исследуемому специфическому классу задач терминология «низкотемпературная газификация» подразумевает ряд существенных отличий в виде дополнительных ограничений, накладываемых спецификой рассматриваемого процесса:
— ограничения по термопрочностному нагружению конструкции топливного бака PH или РБ;
— максимально возможное сохранение химического состава газифицируемого КРТ с целью достижения максимальных характеристик удельною импульса газового ракетного двигателя (ГРД).
1. Математические модели процесса газификации жидких остатков топлива
Для анализа процессов низкотемпературной газификации остатков КРТ с переменным количеством газа примем термодинамическую модель [3J.
В соответствии с законом сохранения энергии для газа, заключенного в свободном объеме бака, запишем:
во теплоты, расходуемой на испарение жидкого компонента топлива; сЮ^, — количество энергии, потерянной из рабочего пространства в связи с истечением продуктов газификации; сШ—изменение удельной внутренней энергии газа в баке; рв<1Ув - работа при газификации жидкою остатка КРТ.
Состав газа внутри емкости изменяется в результате химических реакций в самом рабочем теле, а также в результате тепло- и массообмена между жидкостью и газом наддува.
Изменение удельной внутренней энергии газовой подушки в баке запишем в виде
dU
dx
1
k -1
Р
dVj
di
+ V.
^Рв Ра Уд dk \ dx k -1 dx/'
(2)
где р0, Уе, к — соответственно давление, объём и коэффициент адиабаты газовой подушки топливного бака.
В выражении (1) составляющие dQ^T( будут функционально определяться площадью теплообмена и коэффициентами теплоотдачи:
dQ^=f(a..aI1,Fb+,F,.;
(3)
(1)
+ dQvre + dQZ, +
+ dQE*dU + dQnil + pedVe
где dOiraiA, dOiM- — соответственно количество энергии, поступившей в объём топливного бака при работе системы газификации и в результате химических реакций, между вводимым теплоносителем и остатком КРТ; dQ^ - количество энергии, вносимое с объём топливного бака испарившимся КРТ; dODi) — потери тепла в результате теплообмена продук та газификации с жидким компонентом топлива, элементами конструкции бака и внешней поверхност и топливного бака с окружающей средой; dQjj^ — количество энергии, расходуемой на iiaipeB жидкого компонента топлива до температуры испарения; dQ^ — количест-
ве ак, ад — соответственно коэффициенты конвективною и лучистого теплообмена; Fn|l— соот-
ветственно эффективные площади теплообмена внутренней и внешней поверхности топливного бака.
На рис. 1 представлена блок-схема процесса газификации остатков КРТ в условиях малой гравитации с учетом различных воздействий энергий.
Отмечается, что газовая постоянная и коэффициент адиабаты будут определяться из соотношения газа намува, испарившегося КРТ и газа, поступающего в топливные баки при работе системы газификации КРТ. Интенсификация процессов теплоотдачи возможна при воздействии различных видов энергии. В настоящий момент проводятся исследования по ультразвуковому воздействию на процессы тепло- и массообмена.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСгаИК I# 2 (90) 2010 МА11]ИНОСТК*НИ£ И МАШИІ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ BI
Одним из определяющих параметров является эффективная площадь теплообмена жидкого КРТ между теплоносителем. Состояние жидких остатков КРТ в условиях невесомости рассмотрено в работе (4). Наличие малой гравитации при работе ГРД или управляемых сопел (УС) сброса газифицированных КРТ. возможность повторного запуска системы газификации вносят определённые сложности в определение эффективной площади теплообмена.
Результаты теоретико-экспериментальных исследований [5] позволили выделить четыре наиболее характерных расчётных случая положения остатков КРТ при работе системы газификации. На основе анализа типовых конструкций топливных баков можно рекомендовать следующие зависимости по определению площадей теплообмена для различных граничных условий.
1. Остатки КРТ равномерным слоем прилегают к смачиваемым поверхностям ёмкости и проходящей в ней магистрали. Эффективная площадь теплообмена может быть записана в следующем виде:
F^ = F« + F„ + F^. (41
где F^—площадь цилиндрической часги топливного бака, определяемая по формуле:
р„=(1+|а,}гоян;. (5)
где а, =0,2+0,35 —коэффициент, учитывающий силовой набор конструкции топливного бака; аг = 0,8+1,55 — коэффициент, учитывающий гасители колебаний; а3 = 0,1+0,15 —коэффициент, учитывающий тоннельный трубопровод- D^, Н^ — соответственно диаметр и длина цилиндрической части топливною бака; F^, FIU-соответственно площади верхнего и нижнего днища топливного бака.
2. Остатки КРТ распределены равномерно по всему объёму бака в виде капель диаметром 3+6 мм, образуя газожидкостную смесь. Площадь теплообмена теплоносителя с жидкостной фазой определяется по следующей формуле:
0,75 м®1,
р„л ' ,6)
где , ркрт — соответственно масса и плотность остатков КРТ в топливном баке; de — диаметр капель жидкой фазы.
Время, в течение которого жидкость находится в
1.
гаком состоянии, зависит от начальных условий, концентрации паров, действующих температур и других факторов. Длительность рассматриваемого интервала времени составляет 20+80 сек, после чего положение остатков внутри бака будет ближе к первому расчётному случаю.
3. Остатки КРТ расположены в районе верхнего или нижнего днища ёмкости. При этом на компонент топлива должна действовать однонаправленная перегрузка, причём суммарный вектор поля массовых сил изменяется в пространстве телесного угла не более чем на 30°.
= (7)
4. Упорядоченное д вижение КРТ вдоль стенок бака.
F1M=^vF„+(l + Za,jnD^(o4„T[„, (8|
где (0 - скорость движения КРТ вдоль стенок
бака; тго, - время, отсчитываемое от начала работы ГРД или УС.
2. Критериальные оценки энергетических параметров протекания процесса газификации жидких остатков КРТ
Методический подход но оценке протекания процесса газификации остатков КРТ в условиях малой гравитации предусматривает решение следующих задач:
1) формирование исходных данных на начало протекания процесса газификации в реальной конструкции:
— масса остатков КРТ;
— массовые и геометрические характеристики топливного бака;
— распределение топлива по внутренней поверхности топливного бака;
— модели движения жидкости но стенкам бака и нр;
2) определение параметров вводимого теплоносителя;
3) численное интегрирование системы уравнений, описывающих термодинамический процесс (3).
4) определение составляющих энергетических показателей на основе уравнения энергетического баланса (1).
Энергетические показатели процесса газификации могут быть определены но следующим частным критериям:
— доля количества теплоты, поступившей в объём топливною бака с теплоносителем
им»! Иідраш
Рис. 3.
(9)
— доля количества теплоты, пришедшей в объём бака в результате химического взаимодействия между КРТ и вводимым теплоносителем
f Q-
—; (Ю)
' ІІЮ
— доля количества теплоты, пришедшей в объём бака в результате газификации жидкости
J„,=~ч ни
Vlf,,
— доля количества теплоты, ушедшей за счет дренажа продуктов газификации из объёма бака
Q-
(12)
— доля количества теплоты, идущей на наїрев конс-трукции бака, теплообмен с окружающей средой и пр.
Qi*. .
Jv =
(13)
— доля количества теплоты, идущей на наїрев жидкости до режимов её кипения
О
I ^ ІМІГ гг ,
(14)
— доля количества теплоты, идущей на газификацию жидкости, находящейся в объёме бака
(15)
5) на основе критериев формируются требования по выбору проектно-конструктивных параметров системы газификации и условий протекания в ней термодинамических процессов.
3. Результаты математического моделирования энергетических показателей процесса низкотемпературной газификации топлива
Проведём сравнительную оценку протекания процессов низкотемпературной газификации остатков КРТ на примере РБ «Бриз-М».
Процесс газификации остатков КРТ оценим по
следующим показателям: суммарная масса поступающего теплоносителя — суммарная масса газифицированного остатка КРТ -суммарная масса продуктов газификации, ушедшая из объёма топливного бака. В качес тве исходных данных было принято: время процесса газификации т|П1=600с; средняя температура в газовой подушке топливных баков Т, = 320ПК, ТГ=353°К; максимальное давление в топливных баках во время процесса газификации рво = 2,47Атм, рЛг = 2,61Агм; топливная пара: АТ + НДМГ.
На рис. 2 представлены диаграммы процесса газификации для баков горючего (а) и окислителя (б).
В качестве вариантов процесса газификации приняты:
1) процесс термохимической газификации в предположении равномерного плёночного распределения остатков КРТ на внутренних поверхностях бака;
2) процесс термодинамической газификации в предположении равномерного плёночного распределения остатков КРТ на внутренних поверхностях бака;
3) процесс термодинамической газификаїціи в предположении равномерного капельного распределения остатков КРТ на внутренних поверхностях бака;
4) процесс термодинамической газификации в пред-нбложении расположения остатков КРТ в районе нижнего днища.
Анализ протекания процессов газификации показал:
— массовая концентрация содержания испарившеюся КРТ в продуктах газификации идущих на дренаж при варианте 1 составляет от 75% до 89%, при этом в состав газа дренажа входят: газ намува топливных баков, находившийся в объёме до начала процесса газификации, вводимый теплоноситель и газифицированный КРТ;
— при протекании процесса по варианту 2 суммарная масса подаваемого теплоносителя увеличивается - 2 раза для бака горючего и - 1,5 раза для бака окислителя при условии обеспечения вышеприведённых параме тров газификации;
— массовые концентрации содержания испарившегося КРТ в продуктах, идущих на дренаж при вариантах 2 — 4 для бака горючего достигает - 50%, для бака окислителя - 70% (в данном случае может наблюдаться нестабильность процесса горения в камере ГРД);
„ — протекание процесса газификации но варианту
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК *2 <*0) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИИО»ЕДЕНИГ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК № 2 (90) 2010
I 3 практически идентично варианту 2. При капельном HL расположении в условиях малой гравитации форма т капли жидкого КРТ принималась равной полусфере, что увеличивало площадь теплообмена;
— протекание процесса по варианту 4 наиболее худшее из условия газификации жидких КРТ, при этом отмечается незначительный рост температуры в газовой подушке.
Необходимо отметить следующее:
— расходы газогенераторов при работе системы газификации остатков КРТ не изменялись во времени;
— энергозатраты на испарение КРТ в баке горючего выше, чем аналогичные энергозатраты в баке окислителя. Это объясняется повышенной температурой и теплотой испарения остатков горючею но сравнению с этими же показателями для окислителя.
Приведенные данные показывают только качественную картину процесса. Для более полной картины протекания внутрибаковых термодинамических процессов необходимо рассматривать реальные конструкции топливных баков с полными ТТХ.
Оценку протекания процессов газификации остатков КРТ проведём на основе предлагаемых энергетических критериев (см. ф-лы 9— 15).
На рис. 3 приведены диаграммы процесса газификации на основе энергетических критериев для вышеперечисленных вариантов расположения остатков КРТ в баке горючею (а) и баке окислителя (б).
Анализ процессов газификации на основе энергетических критериев показал:
— доля энергии, ушедшей из объёма топливного бака за счет дренажа продуктов газификации составляет от 18% до 29%:
— на нагрев жидких остатков КРТ до температуры испарения затрачивается от 4% до 10%;
— доля теплоты, идущей на нагрев конструкции бака, теплообмен с окружающей средой и пр, составляет: лдя бака горючею от 23% до 31% (объясняется повышенной температурой в газовой подушке), для бака окислителя от 5% до 8%—для вариантов 1 — 3 и до 20%-для варианта 4 (большая часть стенки топливного бака не смочена жидким остатком КРТ и наблюдается повышение темпера туры в газовой подушке);
— доля теплоты, идущей на газификацию жидких остатков КРТ, составляет от 43% до 62% суммарной подводимой теплоты.
На основе энергетических показателей возможно формирование следующих требований по работе системы газификации:
— возможность интенсификации процесса теплообмена, в том числе с использованием ультразвукового воздействия;
— возможность уменьшения потерь тепла (напри-
Книжная полка
УДК 681.5
мер, использование селективных покрытий поверхностей бака и пр.);
— изменение режима работы системы газификации и т.д.
Заключение
Разработаны критерии для оценки энергетических параметров процесса низкотемпературной газификации жидких остатков КРТ в условиях малой гравитации и неопределенности граничною положения.
Проведены математическое моделирование и оценка энергетических параметров процессов низкотемпературной газификации топлива на примере РБ «Бриз-М» для различных граничных условий положения жидкости.
Библиографический список
1 Кудеицов, В.Ю. Разработка бортовой системы газификации и выброса самовоспламеняющихся остатков топлива из баков отделяющихся частей ракет / В.Ю. Кудеицов. В.И. Трушляков // Космонавтика и ракетостроение. — 2009. — N03(56). - С. 118-124.
2. Active de-orbiting system of launcher upper stages and spacecraft based on hybrid gas rocket engines/Jakovlev М., Shatrov J. Т., Trushlyakov V. 1.. Shalay V. V.. DeLuca L. Т.. GailetU L // Proc. of 3rd European Conference on Space Science, Versailles, France, 6-9 July. 2009
3. Беляев, H.M. Системы наддува топливных баков ракег / Н.М. Беляев. — М.: Машиностроение, 1976. — 336 с.
4 Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей : учеб. дляавиац. спец. вузов: в2 кн. / А. П. Васильев [и др.); под род В. М. Кудрявцева. - М.: Высш. юте. 1993. - Кп. 2. - 368с.
5. Трушляков, В.И. Снижение техногенного воздействия ракетных средств выведения на жидких токсичных компонентах ракетного топлива на окружающую среду: монография / В.И. Трушляков, B.B. Шалай, Я.Т. Шатров; под ред. В.И.Трушлякова. - Омск: ОмГТУ, 2004. — 220 с.
Работа выполнена при поддержке государственного контракта Роснауки (гос. per. N9 0120096927)
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа - и ракетостроение».
Адрес для переписки: e-mail: trushlyakov@omgtu.ru КУДЕНЦОВ Владимир Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение». Адрес для переписки: 644050, г. Омск. пр. Мира, 11.
СТатья поступила а редакцию 15.03.210 г.
© В. И. Трушляков, В. Ю. Куденцон
Ситников, Д. В. Теория оптимальных систем автоматического управления [Текст]: конспект лекций / Д. В. Ситников, А. А. Капелюховский; ОмГГУ. - Омск, 2009. - 91 с.: рис. - Библиогр.: с. 90. - lSBN 978-5-8149-0729-5.
В конспекте лекций рассмотрены методы решения задач оптимального управления, оптимального оценивания состояния и синтеза оптимальных систем управления, проблема управляемости и наблюдаемости. Представлены методы классического вариационного исчисления, динамического программирования и принцип максимума Понтрягина. Даны методы оценки управляемости систем, приведены принципы построения наблюдателей и систем управления при неполной информации о переменных состояния системы. Предназначен для студентов, обучающихся по специальност и 150301 «Динамика и прочность машин».
ШЛЯ
