Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выхлопные диффузоры традиционного типа 11
1.1. Постановка проблемы 11
1.2. Подходы к проведению высотных испытаний 13
1.3. Схемы высотных стендов и их характеристики 16
1.4. Выхлопные кормовые диффузоры 19
1.5. Короткий цилиндрический диффузор 26
1.6. Способы повышения эффективности выхлопных диффузоров 28
1.7. Особенности диффузора с центральным телом 30
1.8. Сравнение всех типов диффузоров 33
1.9. Выводы по первой главе 35
Глава 2. Расчет геометрии и анализ возможности применения диффузора с центральным телом 38
2.1. Особенности диффузора с центральным телом 37
2.2. Область сопла - входного конуса 40
2.3. Геометрия горла диффузора 58
2.4. Методика расчета дозвукового диффузора 61
2.5. Инженерная методика расчета газодинамического контура диффузора с центральным телом 64
Глава 3. Расчетные исследования течения и характеристик диффузора с центральным телом 69
3.1. Газодинамический тракт исследуемой модели диффузора с ЦТ 69
3.2. Моделирование работы диффузора в программном комплексе «Flow3d» 69
3.3. Выводы по третьей главе 78
Глава 4. Экспериментальные исследования течения и характеристик диффузора с центральным телом .80
4.1. Описание стенда 80
4.2. Конструкция диффузора 81
3 Стр.
4.3. Система измерения 85
4.4. Программа испытаний 89
4.5. Результаты экспериментальных исследований 89
4.6. Анализ результатов экспериментальных исследований 98
4.7. Сравнение экспериментальных результатов с расчетом и данными других авторов 102
4.9. Выводы по четвертой главе 106
Глава 5. Расчет диффузоров с центральным телом для испытаний натурных ЖРД 107
5.1. Диффузор с ЦТ для двигателя РД-0124А 107
5.2. Диффузор с ЦТ для РД-0146Д 111
5.3. Выводы по пятой главе .114
Основные выводы 116
Список литературы .118
- Подходы к проведению высотных испытаний
- Геометрия горла диффузора
- Моделирование работы диффузора в программном комплексе «Flow3d»
- Анализ результатов экспериментальных исследований
Подходы к проведению высотных испытаний
В общем случае в условиях большой нерасчетности возникают следующие явления: изменение профиля давления в ламинарном подслое пограничного слоя в сравнении с расчетным значением; отрыв пограничного слоя от стенки сопла, сопровождающийся изменением структуры потока от места отрыва; затекание окружающего воздуха и продуктов сгорания в область отрыва и возникновение вихрей в месте отрыва; при большом противодавлении отклонение струи от осевого направления, и в некоторых случаях прилипание ее к стенке вниз по потоку.
В результате проявления этих физических эффектов значительно увеличивается коэффициент теплоотдачи в стенку в месте отрыва и происходит образование вихрей, а так же возникают поперечные нестационарные нагрузки в случае дальнейшего прилипания потока к стенке. Все это обычно приводит к разрушению сопла или всей двигательной установки. Так же в последнее время значительный интерес у исследователей вызывает «нетипиный» отрыв [11-12].
Указанные аспекты работы сопла при значительном противодавлении накладывают условия необходимости использования специальных устройств, позволяющих моделировать высотные условия без изменения режимов работы сопла и РД в целом. В частности, безотрывное течение ПС вдоль всего тракта сопла с номинальным распределением параметров вдоль стенки.
Все высотные испытания проводятся на специальных высотных стендах, которые отличаются как компонентами, так и степенью моделирования различных видов испытаний. Основными условиями подобия в данном случае являются прочностные (идентичность силовых нагрузок на конструкцию сопла), тепловые (идентичность тепловых нагрузок с обеих сторон сопловой оболочки), газодинамические (распределение скоростей, давление и т. д. вдоль стенки сопла). Все эти условия взаимосвязаны как между собой, так и с конкретной конструкцией стенда, которая их обеспечивает. Зачастую нет необходимости создавать условия, абсолютно идентичные высотным. В некоторых случаях их просто не обеспечить. Поэтому рассматривая схему высотного стенда, нужно ставить ей в соответствие те условия подобия, которые она сможет воспроизвести. Так же двигательные установки больших степеней расширения, при которых во время работы в атмосфере возникает отрыв, не всегда испытывают в полноразмерном виде. Например, только несколько первых испытаний ЖРД 11Д58, имеющего радиационно-охлаждаемый насадок прототипа ЖРД 11Д58М, проводились с полным штатным соплом, т.е. с этим сопловым насадком, полностью помещенным в ГДТ. Затем все последующие испытания проводились и проводятся без этого соплового насадка, который пристыковывается к соплу уже после, т.е. перед полетом.
Существуют различные схемы фиксации положения отрыва скачка, либо искусственное создание определенной системы скачков внутри сопла так, чтобы разгрузить его механически и обеспечить идентичность тепловых нагрузок. Например, когда часть сопла охлаждается, а другая представляет собой радиационно-охлаждаемый насадок и требуется перенести зону максимальных тепловых нагрузок на охлаждаемую часть сопла. Для этого применяются различного рода вставки или насадки. В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» прорабатывалась различные возможные схемы для обеспечения работоспособности сопла, работающего с отрывом в условиях атмосферы [13-14]: Рисунок 1.3.
Схемы защиты сопла а – вставка в сопло, фиксирующая место отрыва; б – профилированная вставка для предотвращения перерасширения потока; в – кольцевая вставка, предотвращающая отрыв потока в сопле; г – кольцевой щиток на срезе сопла, фиксирующий место отрыва На Рисунке 1.3, а представлена схема вставки, которая фиксирует определенное место отрыва, тем самым позволяя более точно проводить пересчет измеренного удельного пустотного импульса на его истинные значения. На Рисунке 1.3, б указана схема вставки в сопло, предотвращающая перерасширение потока и, тем самым, не создавая предпосылок для его отрыва. На Рисунке 1.3, в показана кольцевая вставка, внешняя поверхность которой имеет такой профиль и расположена на таком расстоянии от внутренней поверхности сопла, что поток продуктов сгорания в этом кольцевом канале имеет большее давление, чем в штатных условиях и не оторвется от стенок сопла. На Рисунке 1.3, г представлено расположение на срезе сопла кольцевого наклонного щитка, фиксирующего место отрыва и предотвращающего затекание атмосферного воздуха в отрывную зону. Все эти варианты позволяют обеспечить работоспособность сопла в течение всего времени работы. Однако условия работы испытуемой камеры (такие как тяга, силовые нагрузки на обечайку сопла, подогрев рабочего тела в рубашке охлаждения и др.) нарушаются и цель испытаний необходимо корректировать. Еще одним решением является методика испытания двигателя 14Д23 (РД 0124А) [15]. В связи с техническими трудностями создания связки из ГДТ на 4 камеры, они испытываются с отрывом.
Геометрия горла диффузора
Сама геометрия диффузора, его эффективность и габариты во многом определяются параметрами ПС в сопле ЖРД. В данной главе будет подразумеваться, что рабочее тело – «холодный» газ (газ, температура восстановления которого будет меньше критической для материала диффузора), т.е. форма тракта не будет определяться условиями обеспечения работоспособности нагретой конструкции. Выделим три основных элемента диффузора для анализа.
1. Область предварительного внешнего поджатия потока. Геометрически это область сопла – конуса центрального тела. Профилирование и положение этого конуса оказывает значительное влияние на всю характеристику диффузора. В ходе анализа необходимо выявить возможные ограничения на расположение входного конуса ЦТ, а так же подходы к определению его оптимальной формы.
2. Горло диффузора, в котором все еще сверхзвуковой поток тормозится до дозвуковых скоростей в системе скачков уплотнения различной конфигурации. Оно является неотъемлемым элементом, связывающим область среза сопла со средой выхлопа, либо дозвуковым диффузором. Само наличие стенки горла конечной длины определяет изоляцию пограничного слоя на стенке сопла вблизи его среза от областей высокого давление окружающей среды, тем самым препятствуя отрыву внутри сопла.
3. Дозвуковой диффузор, в котором происходит дальнейшее восстановление статического давления до давления среды выхлопа. В отличие от цилиндрического выхлопного диффузора, в котором роль дозвукового насадка невелика, для диффузора с ЦТ, где скорость на выходе из горла в момент запуска еще высока, дозвуковой диффузор оказывает значительное влияние на давление запуска. Также сама геометрия канала определяет наличие области сужения ЦТ при постоянном диаметре внешней обечайки. 2.2. Область сопла - входного конуса
В случае воздухозаборника ВРД для каждого числа Маха существует некоторое оптимальное значение количества косых скачков, индуцируемых центральным телом. При уменьшении их количества потери в системе скачков, которые преодолевает струйка тока, возрастают. При увеличении - эти потери уменьшаются, однако увеличивается суммарный угол разворота потока: суммарный угол разворота потока; а)к - i-ый угол разворота потока при обтекании многоскачкового конуса воздухозаборника, всего углов га; Л 1) -угол раствора обечайки, получается большим и поток, встречая преграду в виде обечайки, тормозится в интенсивном прямом скачке. При этом возрастает суммарное волновое сопротивление обечайки. Поэтому всегда существует оптимальное количество косых скачков и соответствующий им угол 6L)H . По этим данным строится контур центрального тела диффузора и обечайки так, что бы на расчетном режиме все скачки сходились в точке кромки обечайки. Построение подобным образом геометрии для случая выхлопного диффузора с ЦТ телом не представляется возможным в связи со следующими отличиями.
1. Поток, натекающий на центральное тело истекает из сверхзвукового сопла и имеет существенно неоднородное векторное поле скоростей.
2. Существование самого сопла ограничивает степень его загромождения, тем самым ограничивая габариты входного конуса и степень его внедрения.
3. В общем случае параметры рабочего тела меняются вдоль всего тракта. В частности, термодинамические: показатель процесса расширения, газовая постоянная, теплоемкость и др. Все это требуют учета при расчете.
Рассмотрим качественную картину течения в сопле, спрофилированном методом характеристик на равномерное число Маха на выходе [27-29] (Рисунок 2.1 а). Область 1 - область разворота потока и ускорения его в окрестности оси до заданного значения на выходе. Далее в области 2 происходит разворот потока до заданного значения во всем объеме пространства, и в области 3 газ имеет равномерную составляющую скорости с заданным числовым значением. Из рисунка видно, что для обеспечения расчетного режима течения в некоторой точке сопла необходимо, чтобы характеристика, приходящая в эту точку не была возмущена на всем своем пути. То есть, для обеспечения расчетного режима течения в окрестности точки B необходимо, чтобы в точке О2, а также всей области выше по потоку линии О2В не было возмущающих факторов.
Далее рассмотрим тело, близкое по форме к конусу, частично расположенное в сопле в области 3. Так как поток в этой области уже равномерен по всему объему и вектор скорости параллелен оси сопла, то индуцируемый им скачек уплотнения будет прямолинеен. Для того, чтобы все сопло обтекалось в расчетном режиме необходимо, чтобы выше по потоку линии О1С не было никаких возмущений. В данном случае возмущениями являются как стенка внедряемого тела, так и сам скачек уплотнения. А так как угол наклона косого скачка в окрестности некоторой точки всегда больше угла наклона характеристики, то есть угла Маха то в случае размещения точки вершины конуса О2 в непосредственно близи точки О1 скачек уплотнения пересечет характеристику О1С, тем самым отклонив параметры в точке С от расчетных. Известно, что сопла ракетных двигателей, не профилируются до равномерного, параллельного оси потока на срезе, т.е. до «равномерной» (ОjС на Рисунке 2.1) характеристики на выходе. Это обусловлено как потерями на трение при слишком большой длине сопла, так и значительным увеличением массы конструкции и габаритов ЖРД [8, 30-31]. Укорочение же некоторого контура сопла на меньшей длине расширяющейся части создает потери из-за рассеяния, однако из-за уменьшения массы конструкции концевой части и меньших потерь на трение эффективность двигательной установки в целом при этом увеличивается. В таком укороченном сопле в выходном сечении поле параметров неоднородно и вектор скорости не параллелен оси сопла. При этом в случае введения центрального тела, скачек создаваемый им не прямолинеен, а течение за ним вихревое, так как каждая элементарная струйка тока имеет разные потери полного давления при пересечении криволинейного скачка. В этом случае расчет оптимального положения внедряемого тела усложняется.
Моделирование работы диффузора в программном комплексе «Flow3d»
На Рисунках 2.4 и 2.5 представлены результаты расчета по данной методике для среднего показателя адиабаты в сопле кср = 1,3 и чисел Маха 4...7,5. По оси абсцисс отложена текущая степень расширения контура сопла построенного на равномерное число Маха на срезе. На Рисунке 2.4 по оси ординат - отношение абсциссы точки Оj (по Рисунку 2.1) к радиусу критического сечения сопла. На Рисунке 2.5 - угол наклона характеристики в точке О]. По кривым на этих рисунках можно определить левую границу искомой области «невлияния» в окрестности точки О] и выбрать геометрию внедряемого тела так, чтобы возмущения не попали в эту область. Расчетные кривые построены для некоторых чисел Маха из руководства [27]. Для определения параметров контуров, соответствующих другим числам Маха, можно построить промежуточные кривые на искомое число Маха контура. XOI/RKP
Результаты расчета для некоторых других показателей адиабаты, свойственных для современных топлив ЖРД, представлены в «Приложение 1».
Очевидно, не все контуры сопел построены методом характеристик, указанным выше. Однако само понятие характеристики не зависит от контура сопла и определяет направление передачи возмущений в сверхзвуковом потоке. Следовательно, в любом сопле можно выделить линию, идущую от стенки сопла на его срезе к оси, такую, что в каждой точке ее касательная совпадает с направлением угла Маха потока.
Состояние пограничного слоя на конусе диффузора Процесс торможения сверхзвукового потока всегда сопровождается ростом статического давления (при том, что полное давление неизбежно падает). При обтекании конуса центрального тела возникает положительный градиент давления вдоль стенки, который может приводить к отрыву потока [39-41]. Это явление, перенесенное на геометрию воздухозаборника ВРД, всегда учитывается при профилировании его сверхзвукового диффузора. В [42] предложен критерий, позволяющий оценить возможность отрыва: где 6 - толщина вытеснения; градиент числа Маха вдоль стенки; s ds координата вдоль стенки. Для осуществления безотрывного течения необходимо, чтобы вдоль всей поверхности величина f была меньше некоторого значения fKp . На основе многочисленных экспериментальных исследований [42] установлено, что для турбулентного пограничного слоя fKp « 0,015. Поэтому при проектировании диффузора следует следить за тем, чтобы вдоль конуса центрального тела, а так же его горла значение f не превышало fкр. 2.2.4. Анализ эффективности внедрения ЦТ
Рассмотрим движение замыкающей системы скачков по соплу в трех случаях: когда истечение продуктов сгорания происходит в атмосферу, в длинный цилиндрический диффузор и в длинный профилированный диффузор с внутренним поджатием. Эти случаи достаточно исследованы и имеют соответствующие математические модели. Качественные картины течения для системы сопло - цилиндрический и профилированный выхлопные диффузоры была представлена выше. Процесс запуска одного сопла исследован наиболее детально в параметрическом плане: для конических сопел с разными углами раскрытия; для профилированных сопел и различных температурных факторов. В [6] предложена наиболее простая зависимость для определения сечения отрыва в сопле при его незапущенном режиме работы.
Нижняя прямая 0D отвечает формулам 2.2 и 2.3, и отражает движение замыкающей системы скачков уплотнения вдоль сопла при увеличении давления в камере при выхлопе в атмосферу. Прямая ОВ построена расчетом по формуле 1.1, а положение точки А определяется расчетом по формуле 1.2. На начальных этапах в глубине сопла положение замыкающей системы скачков для двух типов диффузоров одинаково. Лишь ближе к срезу проявляется эффект лавинообразного запуска диффузора с горлом и он запускается при меньшем давлении в КС (т. А и т. В на Рисунке 2.6). Необходимо определить характер аналогичной кривой для сопла, выхлоп которого происходит в диффузор с центральным телом.
В общем случае структура отрывного течения в перерасширенном сопле аналогична структуре, приведенной в [8, 43]. В центре находится плоский диск Маха, за которым течение дозвуковое. По периферии от стенки отходит косой скачок, в котором поток разворачивается к оси сопла, и далее во втором косом скачке разворачивается параллельно ей, с сохранением сверхзвуковой скорости. Области дозвукового и сверхзвукового течений отделены контактным разрывом. Данная структура течения довольно приближенная, так как газ расширяется в условиях существенно неоднородного поля чисел Маха. При наличии центрального тела структура течения в кольцевом зазоре между последним и стенками будет отличаться. Для дальнейшего анализа практического использования рассмотрим схему течения на Рисунке 2.7:
Структура течения, предложенная к рассмотрению на Рисунке 2.7, отличается от аналогичной при отсутствии центрального тела тем, что не весь расход ПС, а только его часть тормозится в прямом скачке уплотнения. Другая часть потока тормозится в системе скачков уплотнения. В самом простом случае, представленном на Рисунке 2.7, – в косом и прямом скачках. При этом интегрально потери полной механической энергии в такой системе меньше.
С ростом давления в камере сгорания замыкающая система скачков движется к срезу сопла (Рисунок 2.7). При этом каждому положению этой системы соответствует определенное давление в камере сгорания и определенные потери полного давления на скачке уплотнения. Будем рассматривать два случая (наличия и отсутствия в сопле ЦТ) и соответствующие для них различные зависимости потерь полного давления. Пусть при запуске сопла без ЦТ эта зависимость выражается как QOотрR; а при наличии - цтQOотрR. Тогда, разделяя весь поток ПС на кольцевые сектора, бесконечно малой ширины получаем: rhx rhx
Анализ результатов экспериментальных исследований
Видно, что с уменьшением высоты канала h будет уменьшаться относительная длина горла диффузора с ЦТ.
Из работы [44] известно, что в широком диапазоне толщин пограничного слоя для чисел Маха набегающего потока М = 2 — 4,5 длина псевдоскачка составляет 8-13 калибров канала. При этом с увеличением начального числа Маха увеличивается и длина псевдоскачка. Следовательно можно считать, что для диффузора с ЦТ оптимальная относительная длина горла (обеспечивающая минимальные давление запуска при прочих равных условиях) будет зависеть от скорости набегающего потока в начальном сечении и принимать значения в диапазоне:
Меньшим числам Маха набегающего потока будет соответствовать меньшее значение Lг/hг, большим - большее. Так же в работе [44] показано, что при уменьшении относительно длины горла давление запуска будет соответственно увеличиваться. Методика определения площади горла диффузора с ЦТ
Минимальное проходное сечение тракта диффузора напрямую влияет на его характеристики. Снижение площади этого сечения ниже некоторой величины приводит к невозможности пропускания всего расхода при заданном полном давлении и поток перестраивается так, что потери уменьшаются. Это может происходить только вследствие того, что система скачков в сопле будет тормозиться в его глубине, не обеспечивая безотрывного режима течения. В то же время слишком большое горло в схеме диффузора с ЦТ означает то, что поток «недоподжат» и использована не вся его эффективность при торможении потока в системе косых скачков уплотнения, обусловленных конусом центрального тела. Поэтому стоит задача в определении оптимального значения площади горла.
Для определения площади горла в первом приближении можно воспользоваться формулой 1.3. Данное уравнение справедливо для профилированного диффузора внутреннего поджатия и получено в предположении, что в момент запуска потери полного давления сосредоточены в прямом скачке, располагающемся в сечении среза сопла. Однако для диффузора с ЦТ процесс запуска системы отличается и прямого скачка на срезе сопла не существует. При этом потери ниже и площадь горла должна быть меньшей. По полученному значению площади горла и остальным известным параметрам строится газодинамический контур диффузора с ЦТ. На второй итерации находятся потери полного давления для этого контура и новое значение площади горла. Это потери будет несколько меньше. Далее можно повторять итерации до тех пор, пока площадь горла не будет меняться.
За горлом диффузора располагается дозвуковой диффузор - устройство дальнейшего восстановления статического давления до давления окружающей среды. В случае если скорость на выходе из горла достаточно велика, то дозвуковой диффузор непосредственно влияет на давление запуска. Дозвуковые диффузоры традиционных ГДТ представляют собой конические расширяющиеся каналы. Степень их расширения зависит от типа диффузора. Так, например, в цилиндрическом канале после перехода к дозвуковой скорости она относительно невелика (средние числа Маха 0,35...0,4); а в профилированном значительно выше (средние числа Маха 0,7...0,9 в момент запуска). Поэтому для цилиндрических каналов дозвуковой диффузор применяют редко, в то время как для профилированных он является неотъемлемой частью.
Основными характеристиками дозвукового диффузора, определяющими Р его эффективность, являются угол раствора адз и степень расширения /дз = — (Рисунок 2.12). Fe - площадь выходного сечения дозвукового диффузора. При малых углах адз потери малы и вызваны, в основном, трением в пограничном слое. Длина диффузора соответственно возрастает. При увеличении угла раствора его длина уменьшается, однако появляются потери на вихреобразование в оторвавшемся пограничном слое. При дальнейшем увеличении угла раствора область отрыва перемещается вглубь диффузора, что ведет к увеличению потерь. Оптимальные углы раствора диффузора с круглым монотонно расширяющемся каналом, согласно [27], составляют адз = 6 — 8. В руководстве по проектированию ГДТ [7] рекомендуется использовать углы раскрытия адз = 4 — 6.
Для диффузора с ЦТ (так же как и для профилированного диффузора с внутренним поджатием), у которого в момент, предшествующий запуску, на входе в диффузор устанавливается скорость, близкая к скорости звука (М « 1), дозвуковой диффузор играет важную роль. Оптимальная степень расширения диффузора определяется из условия максимального восстановления давления. При 7г(Ме) = Ро/ре = 0,97 можно считать, что давление восстановлено до давления окружающей среды. Следовательно число Ме на выходе из горла должно быть равно 0,23 (при к = 1,23), а значения степени расширения: Удз = 2,7. Следует учитывать, что при постоянном внешнем диаметре обечайки центральное тело, сходясь в выходном конусе, может обеспечить некоторую максимальную степень расширения (Рисунок 2.12, а). Если необходимо обеспечит большее расширение потока, то необходимо увеличивать диаметр внешней обечайки (Рисунок 2.12, б).
