Анализ параметров экономичности

В результате проведенных испытаний получены данные, позволяющие назначить конструктивные и режимные параметры коаксиальных двухкомпонентных форсунок для получения коэффициента полноты сгорания на уровне 0,99 и выше.

Во время испытаний регистрировались следующие быстроменяющиеся параметры:

– пульсация давления окислителя перед форсунками;

– пульсация давления горючего перед форсунками;

– пульсация давления продуктов сгорания в камере сгорания.

Все три испытанные смесительные элементы с различными параметрами обеспечили устойчивую работу модельной установки.

На всех проведенных режимах минимальное значение декремента затухания колебаний составило 0,05.

Охлаждение элементов модельной камеры сгорания

Для анализа влияния различных смесительных элементов на теплосъем с блоков модельной камеры при проведении огневых испытаний использовались измерения расходов воды на охлаждение блоков камеры, температур воды на входе и выходе из блоков камеры, давления в КС, расходов окислительного генераторного газа и ГПГ, идущих через смесительную головку КС.

Анализ результатов испытаний проводился с приведением подогревов воды, идущей на охлаждение сборочных единиц, и поверхностных плотностей тепловых потоков к номинальным расчетным значениям по расходу и режимам работы КС по формуле:

,

где – поверхностная плотность теплового потока, полученная при испытании;

, – давление в КС на номинальном режиме работы и на испытании соответственно;

S_Н, S_исп – физический комплекс параметров на номинальном режиме работы и на испытании соответственно;

, – расход воды на охлаждение сборочных единиц, замеренный на испытании, и его номинальное значение.

На рис. 3 приведены расчетные значения поверхностных плотностей теплового потока по длине КС и их средние значения на сборочных единицах, полученные при огневых испытаниях. Как видно из приведенных результатов, на участках ВЗ, ПКС, ГО1, ГО2 и МЦ значения поверхностных плотностей, полученных на ОИ, удовлетворительно совпадают с расчетными значениями. На участках Ц и СС экспериментальные значения поверхностных плотностей теплового потока несколько ниже, а на ГО2, СД – несколько выше расчетных значений.

В таблице 3 представлены приведенные значения подогревов воды, полученные при огневых испытаниях, и их расчетные значения при различных вариантах головок.

Таблица 3

Приведенные значения подогревов воды (Р_к = 8,0 МПа и k_m=3,5)

	ВЗ	ПКС	ГО1	Ц	МЦ	ГО2	СД	СС	ТОИ
	4,0	4,0	4,0	6,5	7,3	4,0	8,0	8,0	––
Трасч	8,45	12,1	16,1	47,2	20,9	12,75	19,8	24,2	161,5
Т1	3,62	6,52	6,75	34,2	20,84	13,8	26,18	18,33	130,25
Т2	5,6	8,63	12,9	40,0	19,38	15,45	24,38	18,89	145,23
Т3	8,69	10,44	14,03	40,05	23,02	15,8	24,69	18,77	155,45
q110-6	5,77	10,38	10,75	16,49	20,75	22,0	42,36	7,20	––
q210-6	8,92	13,75	20,55	19,28	19,30	24,61	39,45	7,42	––
q310-6	13,84	16,63	22,35	19,31	22,92	25,17	39,95	7,37	––
qрасч10-6	13,46	19,21	25,56	22,75	20,81	20,21	32,04	9,5	––

Здесь ВЗ – вставка зажигания;

ПКС – вставка замера пульсации давления в КС;

ГО1, ГО2 – газоотборные вставки;

Ц – цилиндр;

МЦ – малый цилиндр;

СД – сопло дозвуковое;

СС – сопло сверхзвуковое.

Рис. 3. Расчетное значение поверхностной плотности теплового потока по длине КС на режиме Р_к = 8,0 МПа, k_m =3,5 и осредненное значение поверхностной плотности теплового потока на сборочных единицах с различными вариантами головок, полученные при ОИ

Как видно из представленных материалов, уровень суммарных теплосъемов с КС, полученных при испытаниях на режиме Р_к = 8,0 МПа и k_m=3,5, составляет  80 - 96 % от расчетного значения.

На основании проведенных исследований рабочего процесса и теплообмена в модельной камере можно рекомендовать для перспективных кислородно-метановых камер ЖРД, работающих на окислительном генераторном газе и СПГ, смесительные головки с двухкомпонентными коаксиальными форсунками, обеспечивающими устойчивый процесс и высокую полноту сгорания компонентов топлива.

Литература

1. Кузин А.И., Рачук В.С. и др. Основание выбора компонентов ракетного топлива для двигательных установок первой ступени многоразовой ракетно-космической системы. Авиакосмическая техника и технология, № 1, 2010.

2. Ефимочкин А.Ф., Рачук В.С., Шостак А.В. Жидкостной ракетный двигатель для многоразовой ракетно-космической системы. Воронеж: ГОУ ВПО ВГТУ, 2010.

УДК 629.7.039.54-63: 662.61

Отработка конструкции и параметров кислородно-водородной камеры тягой 190 тс в составе двигателя РД0120

Орлов В.А. – КБХА, канд. техн. наук

Рачук В.С. – КБХА, доктор техн. наук

Рубинский В.Р. – КБХА, доктор техн. наук

Татарко А.И. – КБХА

Хрисанфов С.П. – КБХА, канд. техн. наук

Приведены результаты отработки камеры, рабочего процесса и охлаждения в составе двигателя РД0120.

Высокие требования по экономичности, надежности и многоразовости испытаний (контрольно-технологические испытания – КТИ-1 и КТИ-2, огневые технологические испытания – ОТИ, летно-конструкторские испытания – ЛКИ), значительная теплонапряжен-ность камеры потребовали решения ряда проблемных технологических вопросов, новых конструктивных решений и выбора материалов, стойких в водородной среде при высоких давлениях. В соответствии с вышеуказанным, камера имеет следующие особенности:

– регенеративное охлаждение водородом без поясов завесы внутреннего охлаждения;

– организацию пристеночного слоя продуктов сгорания от головки с пониженным соотношением компонентов топлива;

– локальную малорасходную водородную завесу от головки у внутренней стенки камеры сгорания;

– искусственную шероховатость по дну каналов охлаждения камеры сгорания;

– тонкую бронзовую внутреннюю стенку камеры сгорания с жестким допуском ( 0,05 мм);

– теплозащитное никель-хромовое покрытие внутренней стенки;

– двухблочную смесительную головку с промежуточной смесительной полостью между блоками;

– перфорированное огневое днище головки (псевдотранспирационное охлаждение);

– съемное запальное устройство, располагаемое в центре головки;

– отсутствие выравнивающей решетки в газоводе перед головкой при осевом подводе газа;

– сверхзвуковое сопло (D_а = 2287 мм) со степенью расширения _а = 85,7, работающее в земных и высотных условиях.

Общий вид камеры и её основные характеристики приведены на рис. и в таблице 1.

Рис. 1. Общий вид камеры сгорания двигателя РД0120:

1 – камера сгорания; 2 – сопло верхнее; 3 – сопло среднее; 4 – сопло нижнее; 5 – перепускные трубы; 6 – бандажи жесткости; 7 – выходной коллектор.

Таблица 1

Основные характеристики камеры сгорания двигателя РД0120

Наименование параметров	Номинальное значение
Тяга, тс: – в пустоте – на Земле	190 147,6
Удельный импульс тяги, кгсс/кг: – в пустоте – на Земле	455 353,4
Характеристическая скорость, кгсс/кг	236,3
Соотношение компонентов топлива	6
Расход компонентов топлива, кг/с	417,58
Давление, кгс/см2: – в камере сгорания – кислорода на входе в камеру – газа на входе в газовод – водорода на входе в охлаждающий тракт камеры – водорода на выходе из сопла	210 235 230,5 412,4 246,7
Температура, К: – в камере сгорания – кислорода на входе в камеру – газа на входе в газовод – водорода на входе в охлаждающий тракт камеры – водорода на входе в охлаждающий тракт сопла – водорода на выходе из сопла	3687 112 781 52 322 632
Размеры камеры, мм: – диаметр цилиндрической части – диаметр критического сечения сопла – диаметр среза сопла – длина расширяющейся части сопла	430 247 2287 3004
Степень расширения газа в сопле	1191
Время пребывания топлива в КС, с	0,00108

Специально разработанный системный подход при создании камеры, ее поэлементная отработка позволили сократить сроки и стоимость разработки. Так, в соответствии с системным подходом возможности обеспечения высоких энергетических требований по экономичности и надежности охлаждения предварительно были исследованы на не требующих больших затрат и сокращающих сроки отработки двигателя малоразмерных модельных кислородно-водородных камерах тягой 4 кН (диаметр цилиндра 50 мм) и 25 кН (диаметр цилиндра 80 мм). При этом решены следующие вопросы:

– выбрана коаксиальная соосно-струйная форсунка, показавшая возможность получения высокой полноты сгорания (коэффициент полноты сгорания _см = 0,996), и определены ее оптимальные параметры;

– отработан режимно-геометрический фактор w = _гw_г/_оw_о, (_г, _о – плотность горючего и окислителя; w_г, w_о – скорость горючего и окислителя на выходе из форсунки);

– определено влияние подрезки (утопания) торца форсунки окислителя относительно огневого днища на полноту рабочего процесса;

– выявлена окружная неравномерность температуры газа у стенки камеры и отработан способ ее снижения;

– выбран оптимальный профиль искусственной шероховатости, выполняемой на охлаждаемой поверхности внутренней стенки камеры сгорания.

Результаты этих исследований, проведенных совместно с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша, позволили начать доводку камеры в составе двигателя с отработанными техническими решениями по смесеобразованию и охлаждению.

Использование результатов модельных испытаний, отработка отдельных узлов и камеры в целом при автономных «холодных» испытаниях позволили уменьшить время и стоимость отработки камеры в составе двигателя.

Отработка камеры в составе двигателя проводилась в три этапа:

– проверка работоспособности камеры на пониженных режимах (с укороченным и натурным соплом);

– отработка штатного варианта камеры;

– отработка камеры в заданном диапазоне по и .