№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2012
УДК 629.764.063.6.071
© 2012 г. ФЕДОРОВ В.И.
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В БАКАХ КИСЛОРОДНО-УГЛЕВОДОРОДНЫХ И КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Изложены подходы к экспериментальной отработке параметров газа в баках при работе средств наддува, основные результаты отработки процессов тепломассообмена в баках ракет-носителей в процессе их наддува газом во время работы двигательной установки.
Подходы к отработке средств наддува
При создании средств наддува баков ракет-носителей (РН) необходимо выбрать их оптимальные конструктивные параметры, газ наддува, его температуру, расход и условия ввода газа в бак, учитывая при этом наличие внутрибаковых устройств (ВБУ), колебания поверхности жидкости и т.д. Расчет и проектирование таких систем было затруднено из-за отсутствия информации о процессах тепломассообмена в газовой и жидкостной областях бака в условиях конкретной конструкции баков и внутрибаковых устройств. Это определяло особенно при использовании криогенных топлив, необходимость экспериментальной отработки средств наддува и исследования процессов теплообмена на границах фаз в газовой области баков.
Так как создание двигательных установок РН требует больших финансовых затрат и времени, что накладывает ограничения на использование натурной материальной части для экспериментальной отработки, то большое значение приобретает вопрос исследования на маломасштабных экспериментальных установках процессов тепломассообмена в баках, выбора оптимальных параметров, а также подтверждения принятых технических решений еще до этапа проведения сборки и огневых стендовых испытаний штатных блоков.
Применяются два способа переноса данных экспериментальной отработки на изделие. Первый способ предусматривает моделирование на маломасштабных модельных баках конкретных режимов работы средств наддува штатных баков. Следует отметить, что моделирование столь сложных процессов дает приближенные результаты. Критерии подобия, полученные из дифференциальных уравнений и граничных условий к ним, часто невозможно в полной мере использовать совместно. Поэтому необходимо выделять основные критерии подобия, а часть параметров принимать такими же, как на изделии.
Во втором способе по результатам исследования и обобщения опытных данных получают зависимости для расчета коэффициентов тепломассообмена в газовом объеме и на границе раздела фаз. Создаются физическая и математическая модели процессов в баке при работе средств наддува, в которых полученные экспериментальные зависимости и коэффициенты переноса позволяют замкнуть систему уравнений. Разработанная на этой основе методика расчета дает возможность определять параметры в га-
зовой области бака в процессе выработки топлива, проводить оптимизацию параметров и температурного режима конструкции.
Однако наличие разнообразных ВБУ в газовой и жидкостной фазах, а также влияние масштабного фактора и формы бака не позволяют иногда получить универсальные зависимости, что снижает точность расчета параметров наддува и создает необходимость проведения экспериментальных работ на маломасштабных установках с конфигурацией баков и модельными ВБУ, подобными штатным.
Подход к отработке, соответствующий первому способу, был применен при создании средств наддува кислородных баков блоков А, Б, В РН "Н1". Баки этих установок и баки изделия имели сферическую форму. Для уменьшения влияния внешнего тепло-притока на результаты испытаний баки установки были теплоизолированы.
Создание двух модельных установок разного масштаба имело целью получение сравнительных экспериментальных данных, характеризующих процессы в баках, для последующего их переноса, с соответствующим пересчетом, на натурные баки. Масштабы модельных баков по линейному размеру составляли, соответственно, для блоков А, Б и В: 1:4,8; 1:3,15; 1:2,25 (первая установка); 1:9,45; 1:6,45; 1:4,65 (вторая установка).
Выбор режимов испытаний (время слива, параметры колебаний) проводился из условия сохранения критериев подобия Бг и Но. Параметры газа наддува и температура жидкости на модельных установках принимались такими же, как на изделии. В процессе испытаний на установках не выдерживалось соответствие натурному баку критериев Яе и Ог.
Но несмотря на приближенное моделирование процессов, на установках были подтверждены принятые технические решения. Путем пересчета с моделей получены данные по прогреву верхнего слоя жидкости и остаткам незабора жидкости, выбран оптимальный расход гелия при наддуве бака смесью генераторного ("кислого") газа с гелием и исследованы процессы тепломассообмена на поверхности раздела газ-жидкость в условиях наддува смеси и т.д.
Для РН "Энергия" исследование процессов тепломассообмена и отработка средств наддува бака с жидким кислородом блока Ц проведены на маломасштабной установке на качающемся стенде, водородного бака блока Ц - на двух других установках. Баки установки были теплоизолированы. В связи с отсутствием опыта и необходимостью скорейшего получения информации по процессам в баке с жидким водородом при работе системы наддува в НИИХМ из стендовой емкости была создана специальная экспериментальная установка. Испытания проводились без качания бака. На втором этапе экспериментальные работы проводились на качающемся стенде, что позволило исследовать процессы при наличии колебаний поверхности жидкости.
Задачами экспериментальной отработки на этих установках было подтверждение принятых решений и изучение процессов тепломасообмена в баках при различных конструкциях газовводов, наличии перегородок в баках, также оценивалось влияние колебаний на процессы тепломассообмена. Полученные результаты были использованы в методиках расчета параметров в топливных баках при работе средств наддува и позволили выбрать оптимальную конструкцию газовводов и параметры газа наддува.
Выбор рода газа наддува
Газ наддува, его расход и температура выбираются из условия обеспечения минимальной массы средств наддува баков (включая массу газа в баке и тепловые остатки незабора), конструкции бака и конкретных особенностей и параметров изделия и двигателей. Важными факторами выбора являются особенности воздействия газа на вну-трибаковые системы, влияние на эксплуатационные характеристики баковых систем, в том числе в условиях многократного использования двигательной установки при проведении стендовых испытаний.
Рис. 1. Зависимость величины конденсации паров кислорода от весового содержания в газе гелия
На РН "Н1" предусматривался наддув баков окислителя блоков А, Б, В генераторным ("кислым") газом с температурой до 300°С. Испытания в НИИХМ показали, что в этом случае имеет место интенсивная конденсация паров кислорода, особенно при наличии колебаний поверхности жидкости. Это приводило к значительному прогреву верхнего слоя жидкости и увеличению тепловых остатков незабора. Для уменьшения конденсации паров из газа наддува был предложен и отработан на экспериментальных установках наддув баков окислителя смесью генераторного газа с гелием. По результатам экспериментальных работ для баков блоков А, Б, В был принят состав газа наддува с весовым содержанием гелия 4—4,5%. При таком составе газовой смеси конденсация паров уменьшалась вдвое (рис. 1), даже в условиях колебаний поверхности жидкости, и значительно снижался прогрев верхнего слоя жидкости. Аналогичная картина имеет место при наддуве баков смесью паров газообразного кислорода с гелием.
Опыт показал, что использование для наддува бака с жидким кислородом генераторного ("кислого") газа, отбираемого из газогенератора или за турбинами двигателей, приводит к замерзанию содержащихся в газе примесей воды, углекислого газа и т.д., выпадению их в виде отвержденных частиц в жидком кислороде, забиванию сетчатых устройств на выходе из бака или на входе в двигатель. По результатам этого исследования на РН была увеличена площадь сетчатых устройств на выходе из бака. Кроме того, осмотр баков окислителя стендовых вариантов блока В РН "Н1" после проведения огневых испытаний показал, что в нижней части бака имеет место скопление образовавшихся после отогрева бака желеобразных соединений, вызывающих коррозию конструкции бака и ВБУ. В связи с этим при повторных испытаниях потребуется предварительная чистка бака и проверка состояния некоторых элементов ВБУ. Эти факторы показывают, что применение генераторного газа в качестве газа наддува бака с кислородом требует комплексного решения и не всегда целесообразны.
Нецелесообразно также применение для наддува бака горючего с керосином генераторного ("сладкого") газа. Генераторный наддув был использован для бака горючего блока А изделия 8К75. Экспериментальная отработка такой системы показала, что использование генераторного газа имеет ряд недостатков, связанных с содержанием в нем паров воды и сажи. В процессе наддува сажа выпадает на внутренних поверхностях магистралей подачи газа, в баке и на ВБУ. При отрицательных температурах керосина пары воды из газа наддува выпадают в виде твердых частиц. Для исключения попадания частиц льда в двигатель в баке горючего блока А двухступенчатой ракеты была установлена льдоулавливающая сетка. Однако при стендовых испытаниях блока А произошло разрушение двигателя из-за засорения тракта горючего частицами льда. Учитывая этот опыт, как оптимальный был принят наддув бака горячим гелием.
Последующая оптимизация параметров средств наддува баков РН с учетом результатов экспериментальной отработки на установках показала, что наиболее выгодным для кислородного бака является переход на наддув гелием из баллонов высокого давления, погруженных в жидкий кислород, с последующим подогревом гелия в теплообменнике двигателя. Система наддува блока В РН "Н1" была переведена на гелий. Оптимальность этого решения подтверждена огневыми испытаниями стендового блока (№ 5). Перевод на наддув баков окислителя блоков А и Б гелием осуществлен не был из-за отсутствия свободного объема в баках для размещения в них баллонов.
При разработке РН "Энергия" для баков окислителя блок
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.