научная статья по теме ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В БАКЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С КРИОГЕННЫМ КОМПОНЕНТОМ ТОПЛИВА Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В БАКЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С КРИОГЕННЫМ КОМПОНЕНТОМ ТОПЛИВА»

УДК 629.7.036.54

ИНТЕНСИВНОСТЬ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В БАКЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С КРИОГЕННЫМ КОМПОНЕНТОМ ТОПЛИВА

В.А. Бершадский, А.Г. Галеев, К.П. Денисов

ФКП «НИЦ РКП», г. Пересвет, Московская обл., Россия Тел. (496) 546-34-75, факс: (495) 221-62-82, е-шай: mail@nic-rkp.ru

Статья описывает решение задач надежного и безопасного функционирования систем питания энергоустановок с криогенными компонентами топлива. Применительно к режимам эксплуатации двигательных установок летательных аппаратов исследована интенсивность тепломассообмена в топливных баках с водородом и кислородом. Усовершенствован метод отработки внутрибаковых процессов на экспериментальной установке с моделью создаваемого бака и имитацией натурных режимов эксплуатации. Получены в безразмерной форме зависимости для определения влияния температуры и скорости газа наддува, а также колебаний поверхности раздела газовой и жидкой фаз на интенсивность процессов тепломассообмена в баке, которые были апробированы при экспериментальной отработке систем питания ДУ блоков «Ц» и «КРБ» ракет-носителей «Энергия» и «ОБЬУ».

THE INTENSITY OF HEAT-MASS EXCHANGE PROCESS IN FUEL SUPPLY SYSTEMS FUNCTIONING ON CRYOGEN FUEL TYPE

V.A. Bershadskij, A.G. Galeev, K.P. Denisov

FCP "SRC RCP", Peresvet, Moscow region, Russia tel. (496)546-34-75, fax: (495)221-62-82, e-mail: mail@nic-rkp.ru

The goal of the article is to find reliable and safe methods for fuel supply systems functioning on cryogen fuel type. The intensity of heat-mass exchange process in tanks with H2 and O2 is studied on aircraft's engines during the exploiting process. The method of inter-tank optimization process is improved on an experimental set with a constructing tank model in real imitation exploiting regimes. As the study's result а set of depending correlations of temperature and speed of pressurant gas, boundary of liquid and gas phase fluctation influencing the intensity of heat-mass exchange process in tanks were found. They were tested at an engine fuel supply systems experiment in carrier rockets "Energy" and "GSLV".

Étfc

Виталий Александрович Бершадский

Айвенго Гадыевич Галеев

Сведения об авторе: д-р техн. наук (2002 г.), чл.-корр. Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2004 г.), начальник сектора ФГУП «Научно-исследовательский институт химического машиностроения» (1963-2005 гг.).

Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Н1Л3», «Протон», «Энергия-Буран», «ОБЬУ».

Образование: Московский авиационный институт (1962 г.).

Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей, двигательных установок и исследования тепломассобменных процессов в системах питания двигательных установок.

Публикации: 135 научных трудов, в том числе авторских свидетельств и патентов на изобретения - 32.

Сведения об авторе: д-р техн. наук (1990 г.), профессор (1992 г.), лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники (1983 г.), действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (2000 г.), начальник лаборатории ФКП «НИЦ РКП», профессор Московского авиационного института (государственного технического университета) и Сергиево-Посадского филиала Московского государственного индустриального университета.

Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Космос-1», «Космос-3», «Н1Л3», «Энергия-Буран», «ОБЬУ» и др.

Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.).

Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей, двигательных и энергетических установок, гидро- и газодинамика процессов в энергоустановках, исследования в области водородной технологии.

Публикации: более 150 научных работ, в том числе монографии - 2, учебных пособий - 6, авторских свидетельств и патентов на изобретения - 42.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (67) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

J Я I

П} $ V

Лъ

Константин Петрович Денисов

Сведения об авторе: д-р техн. наук (1989 г.), заслуженный деятель науки РФ, действительный член Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского (1999 г.), первый заместитель генерального директора ФКП «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности».

Участвовал в отработке ряда систем по ракетно-космическим программам «Н1Л3», «Протон», «Энергия-Буран», «Зенит» и др.

Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.).

Область научных интересов: организация и практика наземных испытаний ракетных двигателей, двигательных установок и исследования тепломассообменных процессов в системах питания двигательных установок.

Публикации: 90 научных трудов, в том числе авторских свидетельств и патентов на изобретения - 22.

Введение

При функционировании систем питания (СП) криогенными компонентами энергоустановок различного назначения производят наддув топливных баков газом. Наддув газом до расчетной величины давления необходим для уменьшения потерь компонента за счет испарения, бескавитационной работы питающих энергоустановку насосов и обеспечения жесткости конструкции бака при эксплуатационных нагрузках, характерных для летательных аппаратов или морского и наземного транспорта [1].

Надежное и безопасное функционирование СП в составе энергоустановки связано с организацией процессов тепломассообмена в баке, обеспечивающих минимальные величины расхода газа наддува и прогрева криогенного компонента. Эти задачи решают в результате анализа сопряженного нестационарного тепломассообмена, который рассматривается на практике в квазистационарном приближении с применением эмпирических данных по интенсивности процессов, полученных в натурном баке при стендовых и летных испытаниях ДУ или на экспериментальных установках (ЭУ) с применением модели создаваемого бака [2, 3]. Решение этих задач наиболее важно для СП двигательных установок (ДУ) ракет, работающих на жидком водороде.

Ниже приведены результаты исследований интенсивности процессов тепломассообмена, проведенных в НИЦ РКП преимущественно на водороде и кислороде с применением модели создаваемых баков и имитацией условий их эксплуатации при экспериментальной отработке ДУ блоков «Ц» и «КРБ» ракет-носителей «Энергия» и «GSLV». Целью исследований являлось определение влияния на интенсивность процессов тепломассообмена температуры и скорости газа наддува на входе в бак, а также колебаний поверхности раздела между газовым и жидкостным объемами в баке.

Технология получения информации с моделированием процессов в баке

Определение характеристик СП с моделированием процессов в баке возможно в результате проведения расчетных и экспериментальных работ. Известные методы расчетного определения массового расхода газа наддува для получения требуемых значений давления и температуры топлива при подаче его из бака в двигатель базируются на численном решении дифференциальных уравнений с распределенными параметрами в жидком компоненте топлива, в газовом объеме и на стенке бака. Для описания взаимодействия газа с жидкостью и стенкой бака и замыкания этих уравнений используют эмпирические данные, получаемые в результате опыта создания ДУ или исследований с моделированием на ЭУ интенсивности тепломассообмена, ожидаемого в условиях натурной эксплуатации [4].

Методически испытания на ЭУ рассматриваются как совокупность технологических операций, образующих различные по своим задачам, но идентичные по информационному содержанию контуры управления объектом испытания, средствами испытания, режимами проведения испытания, позволяющие имитировать предстартовые и полетные условия эксплуатации ДУ.

Разработанная в НИЦ РКП система получения требуемой информации представлена на рис. 1 в виде совокупности необходимых технологических операций. Исходным моментом для работы в этой системе являются результаты проектирования СП ДУ. Они позволяют сформулировать допустимые границы изменений основных параметров процессов в натурном баке, размеры модельного бака, физико-математическую модель расчета и имитируемые граничные условия, определяющие интенсивность теп-лопереноса.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

Нет

Выпуск проекта СП ДУ

1

Определение допустимых значений mr и Нж I Определение масштаба модельного бака и внутрибаковых устройств Определение модели расчёта и имитируемых граничных условий 1

Подготовка технических и программных средств для проведения работ на ЭУ

Формирование критериев подобия и режимов имитации эксплуатационных факторов

Прогнозирование

значений тг и Нж <-

для натурного бака

Определение готовности СП к работамв составе ДУ

Рис. 1. Технология получения информации при отработке системы питания на экспериментальной установке с моделью бака Fig. 1. The technology of information generation at optimization process of fuel supply system in an experimental set with a tank model

В общем случае нормального функционирования ДУ при подаче газа наддува в топливные баки его теплосодержание (6гвх) расходуется на совершение полезной работы по вытеснению жидкого компонента топлива из бака в двигатель и изменение внутренней энергии газа в объеме бака, идущего на прогрев верхнего слоя жидкого компонента и стенок конструкции бака.

Исследования энергораспределения в баке ЭУ связаны с проведением измерений параметров процессов. Для этого ЭУ оснащают средствами измерений следующих параметров: температуры по высоте объема жидкости, газового объема, а также стенок бака; уровня жидкости и давления в баке; концентрации смеси в газовом объеме бака; расхода газа при наддуве и сливе жидкости из бака; расхода жидкости, температуры, давления и сплошности в расходной магистрали.

Уточнение механизма внутрибаковых процессов и ожидаемой интенсивности тепломассообмена це-

лесообразно производить после оценки кондиционности экспериментальных данных, полученных при работах на ЭУ. Кондиционность данных необходимо подтвердить по сходимости тепловог

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Комплексное изучение отдельных стран и регионов»