Введение к работе
Актуальность диссертации. Проблема разработки эффективного теплообменного аппарата (ТО) актуальна практически для любой сферы народного хозяйства Они широко применяются в энергетике, транспортной, химической и др отраслях промышленности и имеют разнообразные конструкции, зависящие от условий работы и предъявляемым к ним требованиям В каждой области разработчики преследуют свои цели и опираются на свои критерии Интенсивное развитие техники в настоящее время характеризуется увеличением мощности и коэффициента полезного действия установок, повышением температур и давлений применяемых теплоносителей, форсированием рабочего процесса и выдвижению современных требований к ТО Для решения новых задач необходимо создание усовершенствованных ТО, обеспечивающих оптимальное сочетание тепловой эффективности, технологичности, удобства эксплуатации и минимальной стоимости
Освоение космического пространства, коммерциализация космической деятельности, рост конкурентной борьбы среди стран, ведущих в ракетно-космической отрасли, и стран, развивающихся в этом направлении, ставят аналогичные задачи перед разработчиками ТО жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) ТО в составе ЖРД предназначен для нагрева газа (гелия, азота, кислорода и др), который поступает в бак окислителя или бак горючего ракеты-носителя (РН) и создает в них необходимое значение давления (наддув баков) и обеспечивает бескавитационную работу бустерных насосных агрегатов Основными требованиями, предъявляемыми к ТО ЖРД являются обеспечение заданных выходных параметров теплоносителей, работоспособность при высоких давлениях (более 300 кгс/см2) и температурах (500С), в широком диапазоне изменения температур (от минус 200С до плюс 500С),
гарантия прочности и надежности конструкции при статических и динамических нагрузках,
стойкость к возгоранию в высокотемпературном окислительном газе, технологичность в изготовлении, минимальные габаритно-массовые характеристики, оптимальная стоимость Применяемые в настоящее время на двигателях РД107 и РДЮ8, РДШ и РДП9 кожухотрубчатые ТО и на двигателях РД120, РД171, РД170 и РД180 цилиндрические ТО, несмотря на успешную многолетнюю эксплуатацию, обладают рядом недостатков
Цель и задачи работы Целью диссертации является разработка компактного агрегата наддува (АН) современного перспективного двигателя РД191, предназначенного для наддува бака окислителя и бака горючего РН «Ангара» Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1 Проведение анализа ТО, применяемых в ЖРД, и обоснование актуальности разработки АН другого типа конструкции
Выбор типа конструкции и проектирование АН
Проведение расчетов гидравлических потерь трактов, теплопередачи теплоносителей и прочности конструкции АН
Создание и экспериментальное исследование АН для подтверждения обеспечения предъявляемых к нему требований
Анализ полученных экспериментальных данных и сравнение их с расчётными значениями
Разработка унифицированного ТО ЖРД, включающее оптимизацию геометрических характеристик стенок трактов теплоносителей, проектирование усовершенствованного АН двигателя РД191 и пластинчато-ребристых ТО двигателей РД171М и РД180
Анализ современного способа интенсификации теплообмена путём нанесения луночного рельефа и оценка его применения на дне каналов оптимизированных стенок
Оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД
Научная новизна диссертации заключается в том, что создана методика разработки ТО, принципиально нового для ЖРД пластинчато-ребристого типа конструкции, основанная на сборе, анализе, обобщении и систематизации знаний, внедрении совершенно новых и использованию принятых на предприятии подходов проектирования, проведения расчётов, создания и экспериментальной проверки Она включает следующие этапы
постановка цели,
анализ существующих ТО, применяемых в ЖРД,
идея модернизации,
проектирование, включающее обоснование выбора типа конструкции,
создание методик и проведение многопараметрических расчётов гидравлических потерь трактов и теплопередачи теплоносителей, отражающих особенности конструкции агрегата,
сравнение расчётных и требуемых значений параметров теплоносителей,
оптимизация конструкции,
оценка эффективности с точки зрения величин габаритно-массовых характеристик, технологичности и экономичности изготовления;
проведение мероприятий по повышению эффективности агрегата,
создание технологии и изготовление,
экспериментальная проверка,
сравнение результатов испытаний с предъявляемыми требованиями,
усовершенствование теплообменного аппарата,
оценка эффективности,
внедрение в ЖРД
В процессе данной работы спроектирован, рассчитан и изготовлен АН пластинчато-ребристого типа конструкции, ранее не применяемого в ракетном двигателе-
строении Проведена экспериментальная проверка АН, подтверждающая его прочность, герметичность, работоспособность, надёжность и обеспечение заданных выходных значений основных параметров теплоносителей АН внедрен и успешно эксплуатируется в составе двигателя РД191 РН «Ангара»
Кроме того, выполнено исследование с помощью компьютерного моделирования распределений теплоносителей в каналах стенок и оптимизированы геометрические характеристики стенок АН Спроектирована усовершенствованная конструкция АН двигателя РД191, главной особенностью которой является её универсальность, позволяющая создавать ТО для любого ЖРД с другими техническими параметрами В зависимости от требований технического задания (ТЗ), они будут отличаться друг от друга лишь количеством стенок, высотой корпуса и объёмом коллекторов Спроектированы унифицированные пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180
Также, проведен анализ последних достижений в области интенсификации теплообмена современного способа путём нанесения луночных рельефов на плоскости и в каналах Даны рекомендации и проведена оценка использования четырёх самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия Таким образом, сформулирована и достигнута цель по разработке компактного ТО ЖРД, который внедрен в практику, что способствует дальнейшему развитию науки и техники ракетно-космического направления
Достоверность результатов работы подтверждается удовлетворительной согласованностью проектных, расчётных и экспериментальных данных, использованием при составлении методик расчетов фундаментальных уравнений гидромеханики и теплопередачи, применением основных методов численного моделирования с помощью компьютерных программ NASTRAN, Flow Vision, многоблочных вычислительных технологий (МВТ) и пакетов VP2/3, FLUENT, комплексом успешных испытаний и высокой степенью надежности системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации
Научная и практическая значимость диссертации состоит в том, что разработан и успешно используется пластинчато-ребристый АН двигателя РД191, который по сравнению с кожухотрубчатыми и цилиндрическими ТО, применяемыми в ЖРД, является самым компактным, легким, технологичным, экономичным и обладает рядом др преимуществ Благодаря оптимизации поверхностей теплообмена стенок трактов теплоносителей АН появилась возможность на их основе разрабатывать унифицированные пластинчато-ребристые ТО для применяемых в настоящее время и новых ЖРД, сократить время на их создание и доводку и затраты на изготовление Спроектированы усовершенствованный АН двигателя РД191 и пластинчато-ребристые ТО двигателей РД171М и РД180, которые имеют значительные преимущества по сравнению с ТО, применяемыми в настоящее время в этих двигателях
Проведенный автором анализ показал, что использование способа интенсификации путём нанесения луночных рельефов является перспективным в ракетном двигателестроении, так как позволяет форсировать процесс теплопередачи и дополнительно уменьшить габаритно-массовые характеристики, трудоёмкость и
стоимость изготовления и повысить КПД теплопередачи ТО Рекомендуется нанести один из четырех самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия, что увеличит объём знаний о лунках и расширит область их применения Оценка эффективности пластинчато-ребристых ТО позволяет прогнозировать их внедрение в существующие и вновь создаваемые ЖРД Таким образом, проведено научное обоснование и экспериментальное подтверждение результатов диссертационной работы, где были применены различные средства совершенствования и оптимизации производственного процесса, трудовых и материальных ресурсов при создании ТО ЖРД
Реализация работы Работа выполнялась на протяжении последних восьми лет и будет продолжена в рамках программы создания современного двигателя РД191 РН «Ангара» Прогнозируется дальнейшее внедрение унифицированных пластинчато-ребристых ТО в двигатели РД171М и РД180
Личный вклад автора заключается в следующем
Создана методика разработки ТО для ЖРД
Проведён анализ ТО, применяемых в ЖРД
Сформулированы цели, задачи, основные этапы разработки АН двигателя РД191, предъявляемые к нему требования
Обоснован выбор пластинчато-ребристого типа конструкции и спроектирован АН
Для углубленного изучения конструкции и выбора оптимального варианта при её проектировании, используя опыт проведения расчётов на предприятии, автором рассчитаны гидравлические потери трактов и теплопередача теплоносителей АН
Для подтверждения правильности использованных методик расчёта проведена серия расчётов по экспериментальным данным, полученным на автономных огневых испытаниях и испытаниях АН в составе двигателей РД191 Рассчитаны выходные параметры азота при входных параметрах теплоносителей, реализованных на испытаниях При сравнении и анализе расчётных и экспериментальных значений получена удовлетворительная их согласованность
Для достижения максимальной равномерности распределения теплоносителей в каналах стенок АН, по результатам проведённой расчётной оценки, автором оптимизированы поверхности теплообмена стенок трактов теплоносителей
Спроектированы унифицированные пластинчато-ребристые АН двигателя РД191 и ТО двигателей РД171М и РД180 Рассчитаны гидравлические потери трактов и теплопередача теплоносителей этих ТО
Изучен и проанализирован новый способ интенсификации теплообмена путём нанесения луночных рельефов на плоскости и в каналах Проведена оценка использования четырёх самых эффективных луночных рельефа в каналах оптимизированных стенок тракта гелия, разработаны рекомендации
10 Проведена оценка эффективности внедрения пластинчато-ребристых ТО в ЖРД по пяти критериям унификации, габаритно-массовым характеристикам, технологичности, КПД теплопередачи и экономичности изготовления
Апробация диссертации Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Четвертой Российской национальной конференции по теплообмену, г Москва, 2006 г и конференции «Перспективные технологии в ракетно-космической промышленности», г Королёв, 2008 г
Публикации. Автором, по теме диссертации, опубликовано 7 научных работ
Структура и объем работы Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, шести глав, заключения и списка литературы Она содержит 167 страниц основного текста, 97 рисунков, 36 таблиц, список литературы, включающий 56 наименований
