Сравнительные характеристики интенсификации теплообмена Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

кунды [1]. Чтобы сжечь топливо с достаточной полнотой сгорания, необходима специальная, специфическая для камеры сгорания ЖРД подготовка топлива.

Головка камеры двигателя является главным узлом, обеспечивающим правильную организацию смесеобразования в камере сгорания. Конструкция головки должна обеспечивать устойчивое горение в камере, а также способствовать плавному выходу двигателя на режим и уменьшению импульса последействия [2].

Для обеспечения быстрого сгорания топлива необходимо, чтобы в каждой элементарной площадке поперечного сечения камеры образовывалась топливная смесь при оптимальном соотношении между горючим и окислителем. Необходимость равномерного распределения топлива при оптимальном его составе диктуется тем, что в условиях камеры ракетного двигателя крупномасштабная неравномерность не может вырав-ниться в ограниченных габаритах камеры сгорания из-за недостаточной турбулентности газового потока и топливо сгорает при неоптимальном соотношении компонентов [3].

Высокая полнота сгорания и устойчивый процесс горения в камере достигаются применением смесительной головки щелевого типа.

Щелевая смесительная головка камеры обеспечивает равномерное распределение компонентов топлива по сечению головки, их смешению и подачи в камеру.

Смесительная головка щелевого типа представляет собой кольцевые газовые каналы, длина которых выбрана из условия выравнивания поля скоростей, образующегося после входа окислительного газа в головку камеры сгорания. Отличается от форсуночной головки увеличенной в несколько раз проницаемостью газового тракта. Это дает возможность даже в камерах с увеличенной расходонапряженностью получать в газовых каналах смесительной головки повышенную скорость движения газа. При такой скорости газа происходит устойчивое и практически полное сгорание струй горючего, подаваемых в сносящий поток окислительного генераторного газа.

При применении смесительной головки щелевого типа в кольцевых газовых каналах достигается практически равномерное распределение горючего по сечению. Поэтому и в пристеночном слое камеры образуется достаточно однородное течение, состав продуктов

сгорания в котором на всей огневой поверхности камеры соответствует оптимальному массовому соотношению компонентов, при котором работает камера. Тем самым обеспечивается практически одинаковая тепловая нагрузка по всем образующим камеры. Это также определяет преимущество головки щелевого типа перед форсуночными головками, которые образуют в пристеночном слое дискретное распределение концентрации топлива и тепловой нагрузки.

Проведённые проектные исследования и специальные огневые испытания на экспериментальных экземплярах показали, что с учётом применения в двигателе высокоэффективной «щелевой» смесительной головки имеется возможность путём коренного улучшения рабочего процесса в его камере сгорания ликвидировать потери удельного импульса тяги, связанные с организацией завесного охлаждения огневой стенки камеры горючим, и, как следствие, резко повысить энергетические характеристики двигателя. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод что применение в конструкции камеры сгорания смесительной головки щелевого типа позволит избавится от завесного охлаждения огневой стенки.

Таким образом, применение щелевой смесительной головки для совершенствования процессов смесеобразования позволяет кардинально улучшить основные параметры камеры сгорания, что приведет к росту эффективности всего ракетного двигателя.

Библиографические ссылки

1. 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. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005.

3. Васильев А. П., Кудрявцев В. М., Кузнецов В. А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособие / под общ. ред. В. М. Кудрявцева. М. : Высш. шк., 1967.

© Укачиков А. И., Петров И. М., Пекарский А. В., 2011

УДК 669.713.7

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

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА

Проведены экспериментальные исследования интенсификации теплообмена на трех экспериментальных участках. При выполнении сравнительного анализа теоретических результатов с экспериментальными использовались следующие сравнительные характеристики: количество переданного тепла; коэффициент теплопередачи. Результаты анализа представлены в графических зависимостях.

В целях проведения сравнительного анализа полученных при интегрировании уравнения энергии по толщине температурного пространственного погра-

ничного слоя аналитических выражений для локальных коэффициентов теплоотдачи прямолинейного равномерного и вращательного течений реализую-

Секция ««ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»

щихся в гидравлических магистралях систем подачи топлива двигателей летательных аппаратов спроектирован и изготовлен экспериментальный стенд «исследования теплоотдачи прямолинейного равномерного и вращательного течений».

На установке исследовалось 3 экспериментальных участка:

- экспериментальный участок № 1 - гладкая труба, предназначенная для исследования теплоотдачи прямолинейного равномерного потока;

- экспериментальный участок № 2 - труба с закрученной лентой, предназначена для исследования теплоотдачи пи вращательном течении по закону твердого тела;

- экспериментальный участок № 3 - труба с гоф-

рированной лентой, предназначена для исследования интенсификации теплообмена.

Экспериментальные исследования проводились в следующих диапазонах режимных параметров: объемный расход рабочего тела варьировался от 50 до 500 л/мин с температурой от 50 до 170 °С.

Следует отметить, что экспериментальное исследование проводились при турбулентном режиме течения, а турбулентный режим в большинстве случаев соответствует практическим режимным характеристикам при течении в гидравлических магистралях систем подачи топлива двигателей летательных аппаратов.

В результате сравнения расчетных значений сравнительных характеристик с экспериментальными были получены следующие зависимости.

120

т,°с

50 80 110 140 170

-№1 теор25л/м. -№2теор25л/м. —№1 теорб5л/м. -№2 теор б5п/м.

№1 эксп 25л/м. ♦ №2эксп25л/м. • №3эксп25л/м. ♦ №1 эксп 65л/м.

№2 эксп 65л/ы. • №3 эксп бэл/м.

Т,С

—№1 теор 80 л/м.

♦ № 1 эксп 80 л/м.

* №2 эксп 260 л/м.

2 3

-№2 теор 80 л/м. №2 эксп 80 л/м. №3 эксп 260 л/м.

-№1 теор 260 л/м. №3 эксп 80 л/м.

-№2 теор 260 л/м. № 1 эксп 260 л/м.

Рис. 2. Зависимость количества переданного тепла по длине на участках № 1, № 2, № 3 при расходах рабочего тела 80 и 260 л/мин

Проведен сравнительный анализ расчетных данных с экспериментальными. Результаты анализа показали, что наиболее эффективным интенсификатором

теплообмена является труба с гофрированной лентой, т. е. экспериментальный участок № 3.

© Фальков В. О., Назаров В. П., 2011

Рис. 1. Зависимость среднего по длине коэффициента теплоотдачи экспериментальных участков № 1, № 2, № 3 на расходе рабочего тела 25 и 65 л/мин