Повышение энергоэффективности жидкостного ракетного двигателя

В результате исследования процессов теплоотдачи при вращательном течении рабочего тела путем решения интегрального соотношения уравнения энергии [4] температурного пространственного пограничного слоя были получены выражения для расчета коэффициентов теплоотдачи для случаев вращательного течения с турбулентным пограничным слоем (Яега = 3 • 105) на поверхности ротора (диска) и статора (корпуса) в виде критериев Нуссельта.

На основе полученных результатов разработана методика расчета параметров потока рабочего тела в полости между ротором и статором газовой турбины с учетом теплоотдачи в элементы конструкции. Методика позволяет определять локальные параметры состояния рабочего тела с применением численных методов расчета.

Методика позволяет производить практическую оценку таких важных характеристик, как осевая сила, перепад давления, мощность сопротивления трения рабочего тела о ротор. Использование в методике локальных коэффициентов теплоотдачи позволяет производить практическую оценку локальных зон перегрева ротора турбины, а также исключать режимы работы агрегата с большими потерями на трение на этапе проектирования. Расчет величины теплового потока, поглощаемого поверхностью статора, позволяет производить оценку его влияния на прогрев конструкции, а также на подогрев жидкого компонента топлива в смежном с турбиной насосе. Методика является комплексным инструментом, позволяющим производить расчет и оценку влияния параметров потока на энергетическую эффективность, надежность и массогабаритные характеристики агрегата.

Библиографические ссылки

1. Волков К. Н., Емельянов В. Н. Течения и теплообмен в каналах и вращающихся полостях. М. : Физматлит, 2010. 488 с.

2. Жуйков Д. А. и др. Экспериментальные исследования течения несжимаемой вязкой жидкости в торцевой щели между вращающимся диском и не-

подвижной стенкой // Вестник СибГАУ. 2012. № 5(45). С. 123-126.

3. Кишкин А. А., Краев М. В., Жуйков Д. А. Течение несжимаемой вязкой жидкости в зазоре конической щели между вращающимся диском и неподвижной стенкой // Изв. вузов. Серия «Авиационная техника». 2002. № 3. С. 76-80.

4. Зуев А. А. и др. Интегральное соотношение уравнения энергии температурного пространственного пограничного слоя // Вестник Рыбинской гос. авиационной технол. акад. им. П. А. Соловьева. 2010. № 2(17). С. 37-42.

5. Owen J. M., Rogers R. H. Flow and heat transfer in rotating-disc systems. Rotating cavities. Taunton : Research Studies Press, 1995.

6. Shevchuk I. V. Convective Heat and Mass Transfer in Rotating Disk Systems. 2009. 235 p. Springer.

References

1. Volkov K. N., Emelyanov V. N. Techenie i teploobmen v kanalah i vrashyauchihsya polostyah. Fizmatlit, 2010, 488 p.

2. Zhuikov D. A. Experimental investigations of incompressible viscous fluid in the front gap between disk and fixed boundary. Vestnik SibGAU. 2012, № 5(45), p. 123-126.

3. Kishkin A. A., Techenie nesgimaemoi ghidkosti v zazore konicheskoi sheli megdu vrashayshimsya diskom i nepodvighnoi stenkoi. Izvestiya Vuzov «Aviacionnaya technika. 2002, № 3, p. 76-80.

4. Zuev A. A., Integralnoe sootnoshenie uravneniya energii temperaturnogo prostranstvennogo pogranich-nogo sloya. VestnikRGATA. 2010, № 2(17), p. 37-42.

5. Owen J. M., Rogers R. H. Flow and heat transfer in rotating-disc systems. Rotating cavities. Taunton: Research Studies Press, 1995.

6. Shevchuk I. V. Convective Heat and Mass Transfer in Rotating Disk Systems. 2009. 235 p. Springer.

© Толстопятов М. И., Зуев А. А., 2014

УДК 629.7

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

А. И. Укачиков, В. П. Назаров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: info@sibsau.ru

Рассматриваются способы увеличения удельного импульса ракетного двигателя, работающего на компонентах топлива «жидкий кислород - керосин».

Ключевые слова: жидкий кислород, камера сгорания, удельный импульс.

Решетневскуе чтения. 2014

INCREASE OF ENERGY EFFICIENCY OF THE LIQUID ROCKET ENGINE

A. I. Ukachikov, W. P. Nazarov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: info@sibsau.ru

The methods of increasing the specific impulse rocket engine operating on fuel components "liquid oxygen - kerosene " are analysed.

Keywords: liquid oxygen, the chamber of combustion, the specific impulse.

Совершенствование конструкции и повышение энергетической эффективности жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является актуальной задачей ракетно-космического двигателестроения. Одним из перспективных направлений создания ЖРД с высокими энергетическими параметрами является широкое применение топливной пары «жидкий кислород-керосин» как для маршевых двигателей ракет-носителей, так и для двигателей космических разгонных блоков.

При анализе конструктивно-технологических методов повышения энергоэффективности двигателей данного типа особое значение имеют факторы смесеобразования компонентов топлива и охлаждения камеры ЖРД. Из теории ракетных двигателей известно, что от качества распыливания и смесеобразования жидких компонентов зависят объем камеры сгорания, экономичность и устойчивость ее рабочего процесса. Полное и эффективное сгорание топлива обеспечивается его полным испарением в точно определенной зоне камеры [1].

Устройством для смешения и распыливания компонентов топлива является смесительная головка, которая должна удовлетворять следующим требованиям:

- компоненты топлива должны быть раздроблены на капли достаточно мелко и однородно;

- зона смесеобразования компонентов топлива по длине камеры сгорания должна быть, возможно короче, так как в противном случае потребуется относительно большой объем камеры сгорания, что приведет к увеличению ее габаритов и веса двигателя;

- суммарный факел распыла компонентов топлива относительно оси камеры сгорания должен быть симметричным, чтобы факел горящего топлива не касался стенки камеры сгорания;

- распыляющее устройство двигателя должно быть конструктивно простым и дешевым в производстве [2].

Вышеуказанным требованиям в значительной мере удовлетворяют смесительные головки щелевого типа. Конструкция исследуемой щелевой головки камеры сгорания проектируемого двигателя разгонного блока содержит днище с установленными на нем втулками, зазоры между которыми образуют кольцевые каналы для подвода жидкого компонента. В указанную смесительную головку введены элементы с винтовыми каналами, закрепленные на выходных концах втулок. Каждый смесительный элемент состоит из двух концентрически соединенных между собой

колец, кольцо с винтовыми каналами разделено на два сегмента с выполненной нарезкой и образованным коллектором между ними. В коллекторе выполнены наклонные отверстия для подвода компонента. Наклонные отверстия выполнены на противоположных стенках газового канала, равномерно смещены относительно друг друга. Такое выполнение смесительной головки позволяет достигать полного сгорания компонентов топлива в камере жидкостного ракетного двигателя при устойчивом процессе горения на всех режимах работы двигателя и обеспечить стойкость конструкции к термическому воздействию продуктов сгорания топлива.

Большинство камер ЖРД имеет наружное охлаждение, при котором осуществляется проток охладителя по охлаждающему тракту, образованному между внутренней и наружной оболочками или стенками камеры сгорания и сопла. С ростом давления в камере и повышением энергетических характеристик двигателя для обеспечения надежной теплозащиты стенок камеры требуется интенсификация наружного проточного охлаждения. Это достигается увеличением скорости течения охладителя, развитием теплоот-дающей поверхности стенки с помощью её оребрения, турбулизацией потока, например путем создания «искусственной шероховатости» тракта. По дну канала выжигаются электроэрозионным способом так называемые лунки, расположенные в определенной последовательности.

Процесс работы «искусственной шероховатости» заключается в срыве с последующей закруткой натекающего потока кислорода находящегося в промежуточной фазе между жидкостью и газом. Турбулентный поток кислорода в виде газа с «клочками» жидкой фазы двигается вдоль канала с интенсивным отбором тепла от стенки камеры сгорания, тем самым обеспечивая эффективное наружное охлаждение камеры сгорания в целом.

При традиционном использовании пары кислород-керосин, где охладителем камеры является керосин, для эффективного охлаждения камеры сгорания применяется дополнительное внутреннее охлаждение, что приводит к потерям удельного импульса тяги [3]. Переход на охлаждение камеры кислородом позволит ликвидировать потери удельного импульса тяги, связанные с организацией завесного охлаждения огневой стенки камеры горючим, и, как следствие, резко повысить энергетические характеристики двигателя. Увеличение удельного импульса тяги является следствием более высоких термодинамических характери-

стик и охлаждающей способности кислорода [4]. Жидкий кислород обладает хорошей текучестью, не является коррозионноактивным, и поэтому выбор конструкционных материалов не ограничен.

При расчете системы охлаждения камеры с «искусственной шероховатостью» целесообразно использовать методику Л. Ф. Фролова с учетом среднеинте-гральных значений теплофизических свойств охладителя. Особенностью данной методики является применение особого коэффициента интенсификации теплообмена от «искусственной шероховатости» при определении показателя эффективного оребрения охлаждающего тракта и расчете коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке, температуры стенки со стороны жидкости и температуры стенки со стороны газового потока.

Таким образом, практическое применение высокоэффективных способов повышения энергетических показателей позволит значительно улучшить основные параметры камеры, что приведет к росту эффективности всего ракетного двигателя.

Библиографические ссылки

1. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей : учебник для студентов вузов / Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др. ; под общ. ред. проф. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424 с.

2. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Д. А. Ягодни-кова. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 488 с.

3. Васильев А. П., Кудрявцев В. М., Кузнецов В. А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей : учеб. пособие для авиационных вузов и факультетов / под общ. ред. В. М. Кудрявцева. М. : Высш. шк., 1967. 676 с.

4. Стриженко П. П. Особенности расчета теплового состояния камеры ЖРД с беззавесным охлаждением жидким кислородом // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2009. № 3 (19). Ч. 2.

References

1. Design and designing of liquid rocket engines: the Textbook for students of high schools on a speciality «Aviation engines and power installations» / G. G. Gahun, V. I. Baulin, V. A. Volodin, etc. / under the gen. ed. G. G. Gahuna. Moscow : Mechanical engineering, 1989, 424 p.

2. Dobrovolsky M. V. liquid rocket engines. Bases of designing: the Textbook for high schools. 2 ed. advanced / under the gen. ed. D. A. Jagodnikova. Moscow: MGTU of a name N. E. Bauman, 2005, 488 p.

3. Bas of the theory and calculation of liquid rocket engines: the Manual for aviation high schools and faculties / A. P. Vasilev, V. M. Kudryavtsev, V. A. Kuznetsov etc. : under the gen. ed. V. M. Kudryavtsev. Moscow: the Higher school, 1967, 676 p.

4. Strizhenko P. P. feature of calculation of a thermal condition of chamber LRE with cooling by liquid oxygen // Vestnik Samaras the state space university, 2009, № 3(19), p. 2.

© Укачиков А. И., Назаров В. П., 2014

УДК 621.325

СИСТЕМА ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА В КОНДИЦИОНЕРАХ

М. К. Череватенко, М. В. Мошенец, Е. В. Черненко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: jincherry@mail.ru

Рассматриваются фильтры системы вентиляции. Эта тема актуальна, так как фильтры необходимы в быту, общественных местах, на предприятиях. В каждом случае следует устанавливать определенный вид фильтра.

Ключевые слова: система вентиляции, фильтр.

SYSTEM OF AIR CLEANING AND DISINFECTION IN AIR CONDITIONERS M. K. Cherevatenko, M. V. Moshenets, E. V. Chernenko

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation. E-mail: jincherry@mail.ru

The filters of the ventilation system are discussed. This topic is relevant, since the filters are needed at homes, public places and enterprises. In each case it is necessary to establish a certain filter type.

Keywords: ventilation system, filter.