Исследование процессов теплообмена в системах охлаждения жидкостных ракетных двигателей с аддитивными пористыми структурами

Авторы

Башарина Т. А.^*, Левина А. В.^**, Акользин И. В.^***, Винокуров Д. Н.^****, Шматов Д. П.^*****

ООО НПП «ИнтерПолярис», ул. Первомайская, д. 2, г. Нововоронеж, Воронежская обл., Россия, 396073

*e-mail: ta@interpolyaris.ru
**e-mail: levinaav@interpolyaris.ru
***e-mail: akolziniv@interpolyaris.ru
****e-mail: vinokurovdmnik@gmail.com
*****e-mail: shmatov@inlerpolyaris.ru

Аннотация

Для повышения стабильности и надежности работы ракетных двигателей внедряются новые технологии для интенсификации теплообменных процессов, сочетание которых представляет собой инновационную систему охлаждения жидкостного ракетного двигателя в виде охлаждающего тракта с высокоэффективными пористыми структурами, изготовленными аддитивным способом. Для исследования процессов теплообмена при движении однофазного теплоносителя в охлаждающем тракте с пористой структурой проведен вычислительный эксперимент и теплогидравлические испытания. Математическая модель на основе полной геометрической идентификации внутрипорового пространства с высокой степенью достоверности определяет теплогидравлические характеристики теплоносителя, на основе чего определены критериальные уравнения чисел Нуссельта для пористых структур с разным коэффициентом пористости. Установлено влияние теплогидравлических и геометрических свойств аддитивной пористой среды на значение числа Нуссельта. Проведены предварительные вычислительные эксперименты, подтверждающие высокую степень достоверности отыскания коэффициентов в критериальных уравнениях для чисел Нуссельта и свидетельствующие о корректности математической модели исследования. Для подтверждения эффективности применения пористых структур в охлаждающем тракте были проведены огневые испытания опытного образца жидкостного ракетного двигателя малой тяги, изготовленного аддитивным способом. Показано, что применение аддитивной пористой структуры в системе охлаждения ЖРД малой тяги позволяет эффективно осуществлять процесс теплосъема с внутренней поверхности камеры сгорания.

Ключевые слова:

жидкостный ракетный двигатель, пористая структура, тракт охлаждения, теплогидравлические исследования, математическое моделирование, аддитивное производство, вычислительный эксперимент, огневые испытания ЖРД

Библиографический список

1. Кислых В.В., Кудимов Н.Ф., Панасенко А.В., Третьякова О.Н. О проблемах моделирования газодинамических течений в поршневой газодинамической установке для отработки изделий ракетно-космической техники // Труды МАИ. 2011. № 47. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=26754
2. Пелевин Ф.В., Авраамов Н.И., Орлин С.А., Синцов А.Л. Эффективность теплообмена в пористых элементах конструкций жидкостных ракетных двигателей // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 4. С. 1-14.
3. Соловьева О. В., Яфизов Р. Р., Соловьев С. А. Определение эффективной длины пористой структуры при конвективном теплообмене // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. № 3. С. 113–122.
4. Шматов Д.П., Дроздов И.Г., Васильченко и др. Камера жидкостного ракетного двигателя. Патент № 2720596 РФ. 2020. Бюлл. № 14. 8 с.
5. Пелевин Ф.В., Пономарев А.В., Семенов П.Ю. Рекуперативный теплообменный аппарат с пористым металлом для жидкостного ракетного двигателя // Известия вузов. Машиностроение. 2015. № 6. С. 74-81.
6. Пелевин Ф. В., Авраамов Н. И., Семенов П. Ю. Новый подход к охлаждению ракетного кислородно-керосинового двигателя // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 6. DOI: 10.7463/0612.0431608
7. Артемов А.Л., Дядченко В.Ю., Лукьяшко А.В. и др. Отработка конструктивных и технологических решений для изготовления опытных образцов внутренней оболочки камеры сгорания многофункционального жидкостного ракетного двигателя с использованием аддитивных технологий // Космическая техника и технологии. 2017. № 1. С. 50-62.
8. Пелевин Ф.В., Авраамов Н.И., Синцов А.Л., Семенов П.Ю., Пономарев А.В. Конвективное охлаждение тепловых двигателей с использованием пористых материалов и принципа межканальной транспирации теплоносителя // 16 школа-семинар «Проблемы газодинамики и теплообмена в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 21-25 мая 2007). - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. Т.1. 479 с.
9. Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1988. - 168 с.
10. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.
11. Ротэрмель А.Р., Яшков С.А., Шевченко В.И. Экспериментальные исследование аэродинамических характеристик летательного аппарата в сверхзвуковой аэродинамической трубе СТ-3 с использованием программно-аппаратного комплекса // Труды МАИ. 2021. № 119. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=159783. DOI: 10.34759/trd-2021-119-06
12.  Ковалев П.И., Менде Н.П. Альбом сверхзвуковых течений. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2011. - 251 с.
13. Некрасов Б.Б. Гидравлика и ее применения на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение, 1967. - 265 с.
14. Фрик П.Г. Турбулентность: модели и подходы. - Пермь: ПГТУ, 1998. - 108 с.
15. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М.: Наука, 1974. - 712 с.
16. Игнаткин Ю.М., Константинов С.Г. Исследование аэродинамических характеристик несущего винта вертолёта методом CFD // Труды МАИ. 2012. № 57. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=30875
17. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа, 2003. - 846 с.
18. Аникеев А.А., Молчанов А.М., Янышев Д.С. Основы вычислительного теплообмена и гидродинамика. - М.: Изд-во МАИ, 2010. - 149 с.
19. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. - М.: Физматгиз, 1960. - 715 с.
20. Бакланов А.В., Васильев А.А. Применение аддитивных технологий в вопросе исследования структуры течения формируемой горелками камер сгорания ГТД // Труды МАИ. 2018. № 102. URL:: https://trudymai.ru/published.php?ID=98895

Скачать статью