№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2015
УДК 629.7.036.54; 62-977
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ В ЖРД ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ
© 2015 г. В.В. МИРОНОВ, Н.Н. ВОЛКОВ, Л.И. ВОЛКОВА, С.М. ЦАЦУЕВ, Р.Д. БЕРДОВ
Государственный научный центр — федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр им. М.В. Келдыша ", Москва E-mail: volkov-nn-li@mail.ru
По результатам испытаний укороченных сопловых насадков радиационного охлаждения (НРО) выполнен анализ неравномерности смесеобразования в натурной камере ЖРД. Показано наличие неоднородности смеси продуктов сгорания в окружном направлении. В пристеночной области чередуются "холодные" и "горячие" области вдоль различных образующих сопла. Такая неоднородность сохраняется до среза сопла. Различие температур в зоне НРО составляет —110 K. Расчетными методами показано, что такое различие в температуре поверхности насадка может соответствовать различию соотношений компонентов топлива km = 2 и km = 1,7. Наличие "горячих" зон необходимо учитывать при проектировании НРО из композиционных материалов на основе углерода, так как это может повлиять на их работоспособность.
Ключевые слова: огневые испытания, ЖРД, насадки.
RESEARCH OF PROPELLANTS' UNEVENNESS IN LRE BASED ON RESULTS OF TESTING EXPERIMENTS
V.V. MIRONOV, N.N. VOLKOV, L.I. VOLKOVA, S.M. TSATSUEV, R.D. BERDOV
The State Scientific Centre of Russian Federation — Federal State Unitary Enterprise "Research Centre
Named after M.V. Keldysh", Moscow E-mail: volkov-nn-li@mail.ru
An analysis of propellants' unevenness in full-scale combustion chamber LRE has been made, based on results of testing experiments of truncated nozzle extension with radiation cooling (NRC). Experiments showed propellants' unevenness in circumferential direction occurs. In near-wall area "cold" and "hot" zones interfaced each other along different generatrices of nozzle. Such unevenness remains up to nozzle exit section. Temperature difference in the NRC area reaches —110 K. Calculations show that such temperature difference of nozzle surface may correspond to ratio distinction of reacting fluids km = 2 and km = 1,7. Occurrence of "hot" zones must be taken into account when engineering carbon composite NRC, because it can affect working capacity of the nozzle.
Key words: testing experiments, LRE, nozzle extension.
В^Н » 1 : * ■ 1
4
15-9-2011 29 10 2012
145406 16-32*29
Рис. 1. Видеокадры испытаний сопловых насадков в ОАО КБХА с 2009 по 2012 г.
Для внедрения на жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) сопловых насадков из композиционных материалов на основе углерода в целях совершенствования двигателей Центром Келдыша совместно с ОАО КБХА при участии материаловедческих организаций (ОАО "Композит", ОАО ЦНИИСМ, ОАО УНИИКМ и др.) на стенде ОАО КБХА с 2009 г. проводятся испытания таких насадков. Для экспериментальных исследований используется автономная камера натурного жидкостного двигателя, на которой часть регенеративно охлаждаемого сопла заменяется сопловым насадком радиационного охлаждения (НРО) из композиционного материала. Для упрощения испытаний высотного сопла в наземных условиях насадок укорачивается для обеспечения безотрывного истечения. Длина укороченного насадка составляет 305 мм, что позволяет реализовать на этой части сопла максимумы натурных теплоэрозионных нагрузок.
В процессе испытаний проводится видеосъемка соплового насадка, термопарами и тепловизором измеряются температуры его внешней поверхности, регистрируются параметры двигательной установки. Условия проведения и некоторые результаты испытаний приведены в работах [1, 2].
Анализируя проведенные испытания, можно отметить: на видеокадрах (рис. 1) и термограммах (рис. 2) видно, что прогрев насадка является неоднородным. Насадок имеет полосы, отражающие различный нагрев, вдоль различных образующих его поверхности. Приведенные на рис. 2 термограммы относятся к различным насадкам (в том числе изготовленным по разным технологиям), характеристики которых приведены в табл. 1, но испытанных в составе одной камеры ЖРД. Видно, что зоны вдоль образующих с минимальным и максимальным нагревом сохраняют свое расположение. Можно сделать вывод, что наблюдаемые неоднородности температуры связаны с неоднородностью свойств продуктов сгорания.
Эти неоднородности могли возникать из-за особенностей работы и конструкции смесительной головки, системы, создающей пристеночные газовые завесы, неполноты смешения и сгорания компонентов топлива и других особенностей конструкции и работы систем подачи и камеры двигателя, которые сложно в полном объеме учесть в расчетных моделях.
°С 1450 1350 1250 1150 1050 950 850
Испытание: 15.09.2009, насадок № 1
°С
1350
1250
1150
1050
950
850
°С 1450 1350 1250 1150 1050 950 850
°С 1350 1250 1150 1050 950 850
Испытание: 3.09.2010, насадок № 3 Испытание: 15.09.2011, насадок № 4
*
°С 1350
1250
■1150
1050
950
850
Испытание: 29.10.2012, насадок № 5
Рис. 2. Термограммы сопловых насадков, полученные с помощью тепловизора во время испытаний в ОАО КБХА с 2009 по 2012 г.
Для определения расхождения свойств продуктов сгорания вдоль различных образующих проведен анализ полученных экспериментальных данных на примере испытания от 29.10.2012. Это третье огневое испытание (ОИ № 3) насадка № 6 в серии испытаний 2012 г., длительность каждого испытания--100 с. Основные характеристики режимов испытания даны в табл. 2. Из термограмм (рис. 2) видно, что в других испытаниях перепады температур между "горячими" и "холодными" зонами близки.
Схема расположения термопар и направление объектива тепловизора показаны на рис. 3. Показания всех термопар с достоверными измерениями в испытании № 3 приведены на рис. 4.
Образующие №№ 2 и 3 с термопарами (ТПН16, ТПН2, ТПН18, ТПН10 ТПН 2 и ТПН12, ТПН6, ТПН14, ТПН19, ТПН11) видны на изображениях тепловизора — термограммах, и можно сравнить показания этих термопар и тепловизора. Такое сравнение приведено на рис. 5, где на термограммах отмечены крестиками места определения температур по показаниям тепловизора. Эти места максимально приближены к расположению термопар.
Таблица 1
Характеристики сопловых насадков
№ насадок Дата испытания Изготовитель Характеристики
1 15.09.2009 ОАО ЦНИИСМ Изготовлен из материала УКМ-11 с двухслойным покрытием карбида кремния и нитрида алюминия. Средняя толщина НРО составляет 6—7 мм, длина раструба — 309 мм
2 25.08.2010 ОАО ЦНИИСМ Изготовлен из материала УКМ-11 с антиокислительным покрытием: первый слой — 8Ю, второй слой — ЛШ, третий слой — Л12О3. Средняя толщина НРО составляет 4—5 мм, длина раструба — 339 мм
3 3.09.2010 ОАО ЦНИИСМ Изготовлен из материала УКМ-11 с антиокислительным покрытием: первый слой — 8Ю, второй слой — ЛШ, третий слой — Л12О3, четвертый слой — 8Ю2. Средняя толщина НРО составляет 4—5 мм, длина раструба — 339 мм
4 15.09.2011 ОАО ЦНИИСМ Изготовлен из материала УКМ-11 с антиокислительным покрытием: первый слой — 8Ю, второй слой — ЛШ. Средняя толщина НРО составляет 6,8—8,5 мм, длина раструба — 339 мм
6 29.10.2012 ОАО "Композит" и ОАО УНИИКМ Изготовлен из ткани УТ-900 с последующим насыщением из газовой фазы разложением метилсилана. Насыщение производилось: на первом этапе — объемное насыщение, на втором этапе — создание покрытия на поверхности. Средняя толщина НРО — 4,5—5,2 мм, длина раструба — 339 мм. Толщина покрытия — 85 мкм
Режимы испытаний
Таблица 2
№ испытания Дата г, с Рк, МПа кт ^ОФК, К Комплектация НРО
1 12.10.2012 100 14,93-14,99 2,5-2,52 650 НРО № 5
2 19.10.2012 100 14,89-15,02 2,49-2,52 650 НРО № 5
3 29.10.2012 100 15,35-15,38 2,67-2,69 650 НРО № 5
Из рис. 5а видно, по показаниям тепловизора максимальная температура на образующей № 2 составляет ~1580 К. Примерно такую же температуру показывают термопары ТПН6 и ТПН19. Показания термопар ТПН11 и ТПН12, очевидно, следует признать не достоверными. Расчет, выполненный по методикам Центра Келдыша [3—5] с учетом тепловой завесы и пристеночного слоя с кт = 2, хорошо согласуется с экспериментальными данными. Из рис. 5б следует, что максимальная температура, измеренная тепловизором, на образующей № 3 (для видимых сечений 0,287; 0,342; 0,4 м от критического сечения вдоль оси) составляет ~1470 К и согласуется с показанием термопары ТПН18. При этом расчетные значения, полученные для кт = 2, лежат на ~120 К выше.
По результатам можно сделать заключения.
Рис. 4. Показания выбранных термопар в испытании № 3
1. Показания тепловизора и термопар ТПН6, ТПН19, ТПН19 хорошо согласуются между собой, что свидетельствует о достоверности показаний тепловизора.
2. Вдоль образующих №№ 2 и 3 поток имеет разные характеристики, приводящие к тому, что максимальные температуры вдоль этих образующих отличаются примерно на 110...115 К.
3. Хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных для образующей № 2 показывает, что свойства продуктов сгорания керосина и кислорода на этой образующей хорошо описываются смесью с соотношением компонентов кт = 2.
Для анализа масштаба неоднородности потока вблизи стенок насадка рассмотрены параметры вдоль видимых на термограммах образующих с максимальным и минимальным нагревом. На рис. 6а по показаниям тепловизора приведены температуры в точках вдоль образующей с максимальным прогревом (крестики на термограмме). На
Г, К 1600
1200
800
400
Г, К 1700
1500
1300
1100
900
700
500
300
°С 1300
1250 к = 2
1200 т 1150 х, м
и00 - 0,176 тепловизор
1050 - 0,2 3 0 тепловизор
1000
950 0,287 тепловизор
900 п
850 — - 0,342 тепловизор
800 ----- 0,400 тепловизор
-ТПН12 (0,176)
— ТПН6 (0,230) ---ТПН14 (0,287)
— -ТПН19 (0,342) -----ТПН11 (0,400)
— - Расчет х = 0,230
160 г, с
°С
1350
1300
1250
1200
1150
1100
1050
1000
950
900
850
800
кт = 2
х, м
■ 0,287 тепловизор
Образующая № 3 (ТПН 16 2 18 10 22)
_|_I_1_I_1_
120
160 г, с
0,342 тепловизор 0,400 тепловизор
— ТПН18 (0,287)
— ТПН10 (0,342)
— ТПН22 (0,400) Расчет х = 0,287 м
ь—Расчет х = 0,100 м
Рис. 5. Сопоставление показаний термопар, тепловизора и расчета для образу
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.