Введение к работе
Актуальность диссертации. Интенсивное освоение космического пространства, коммерциализация космической деятельности, рост конкурентной борьбы среди ведущих в ракетно-космической отрасли стран и стран, развивающихся в этом направлении, предъявляют новые требования к ракетно-космической технике, в том числе к двигательным установкам разгонных блоков и систем орбитального маневрирования, работающих на жидких компонентах (кислород-водород, кислород-метан и др.). Основными среди них являются повышение надежности, экономичности, снижение стоимости разработки, изготовления и эксплуатации, обеспечение токсикологической безопасности двигательной установки.
Создание высокоэкономнчного ЖРД во многом зависит от эффективности наружного (регенеративного) охлаждения камеры.
В связи с этим актуальной является задача повышения эффективности теплообмена в регенеративной системе охлаждения камеры ЖРД, решение которой позволит повысить не только удельный импульс, но и надежность работы ЖРД.
В настоящее время в подавляющем большинстве эксплуатирующихся камер ЖРД используется сребренный тракт охлаждения, который обеспечивает интенсификацию теплообмена по сравнению с гладким каналом в 1.5...3 раза. Такой уровень интенсификации зачастую не обеспечивает удовлетворительного температурного состояния конструкции, так как в последнее время наблюдается тенденция увеличения давления в камере сгорания и применение энергоемких топлив. Поэтому для уменьшения тепловых потоков в стенку двигателя практически всегда используется низкотемпературное внутреннее (завесное) охлаждение, что приводит к потере удельного импульса.
Возникает необходимость перехода к новым конструкциям и технологиям изготовления теплообменных трактов, обеспечивающих надежное высокоэкономичное охлаждение камеры ЖРД.
Один и. перспективных и эффективных методов интенсификации теплообмена заключается в использовании пористых металлов (ПМ) в теплообменных устройствах. Но хотя заполнение теплообменного тракта пористым высокотеплопроводным металлом с малым термическим сопротивлением между стенкой и пористым металлом максимально интенсифицирует теплообмен, наблюдается резкое увеличение гидравлического сопротивления, что сдерживает применение этого метода в системе регенеративного охлаждения ЖРД. Для уменьшения потерь давлення приходится идти на уменьшение
скорости движения теплоносителя в ПМ за счет увеличения проходного сечения тракта, что приводит к снижению интенсификации теплообмена и повышению массы н габаритов тракта.
Уменьшить потери давления в системе охлаждения, не изменяя габаритных размеров теплообменного тракта, можно, если перейги от общеизвестного продольно-канального к межканальному (продольно-поперечному) движению теплоносителя через ПМ, изготовленный методом диффузионной сварки в вакууме металлических тканых сеток.
Принцип межканальной транспирации в сочетании с межсеточной фильтрацией теплоносителя впервые позволяет создать высокоэффективный пористый тепяообменный тракт с большей эффективностью теплообмена, чем у лучших оребренных трактов.
Тракт с межканальной транспирацией теплоносителя (МКТТ) сочетает в себе высокую теплоотдачу, свойственную ПМ, и низкие потери давления.
Пористый тракт с межканальной транспирацией теплоносителя, в частности, открывает перспективы для создания безгазогенераторного кислородно-водородного ЖРД разгонных блоков (межорбитальных буксиров) с давлением в камере сгорания сто и более атмосфер, что значительно повышает его удельный импульс. Тракт с МКТТ эффективен и в системе охлаждения ЖРД малой тяги, где скорости компонента малы.
Целью работы является разработка нового метода интенсификации теплообмена с использованием принципа межканальной транспирации теплоносителя сквозь пористый сетчатый материал (ПСМ) в системе наружного охлаждения ЖРД и в рекуперативных теплообменных аппаратах (РТА), позволяющего повысить эффективность и надежность работы ЖРД а также методов теплогндравлических расчетов этих систем. Достижение указанной цели осуществлялось путем решения следующих основных задач:
1. Разработка конструкций высокоэффективных пористых теплообменных трактов, работающих при высоких давлениях, для системы регенеративного охлаждения ЖРД и рекуперативных теплообменных аппаратов.
2. Разработка математической модели, описывающей двухмерное турбулентное течение
сжимаемой жидкости и теплообмен в пористом анизотропном материале.
-
Разработка метода расчета параметров теплообменного тракта с межканальной транспирацией сжимаемого теплоносителя через пористый анизотропный материал.
-
Разработка нового пористого материала с оптимальными для теплообменного пористого тракта свойствами.
5. Обобщение результатов экспериментальных исследований гидравлического
сопротивления ПСМ и теплообмена в пористых трактах с МКТТ, получение критериальных
>
зависимостей для использования их в методах расчета регенеративной системы охлаждения ЖРД и РТА с МКТТ; оптимизация параметров тракта с межканальной транспирацией теплоносителя.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан новый метод охлаждения ЖРД и других теплонапряженных изделий с использованием принципа межканальной транспирации теплоносителя сквозь ПСМ, позволяющий повысить надежность работы двигателя;
разработан новый метод расчета параметров теплообменного тракта с межканалы гой транспирацией сжимаемого- теплоносителя сквозь пористый анизотропный материал применительно к системе регенеративного охлаждения ЖРД и РТА;
разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать поля давления и температуры при двухмерном турбулентном течении однофазной сжимаемой жидкости сквозь анизотропный пористый металл, сформулированы начальные и граничные условия;
- теоретически получено выражение для расчета поверхностного коэффициента
теплоотдачи в канале, заполненном ПМ, определены условия максимальной интенсификации
теплообмена;
- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость перехода
от одномерного к двухмерному движению теплоносителя сквозь ПМ с точки зрения
повышения эффективности теплообмена;
- впервые экспериментально исследовано гидравлическое сопротивление пористых
сетчатых материалов, полученных методом диффузионной сварки металлических тканых
сеток в вакууме, на ламинарном, переходном и турбулентном режимах течения; установлена
анизотропия гидравлических свойств ПСМ, а также влияние механической обработки на
проницаемость ПСМ;
- впервые экспериментально исследован теплообмен в пористых сетчатых металлах при
двухмерной межсеточной фильтрации теплоносителя, получено обобщающее критериальное
уравнение теплоотдачи в пористом тракте с МКТТ;
- расчетно-эксперименталышм путем установлена критериальная зависимость для
внутрипорового объемного коэффициента теплоотдачи в ПСМ;
. - экспериментально исследованы поля давлений и температуры в подводящих и отводящих каналах тракта с МКТТ. Разработан метод их расчета. Достоверность научных результатов определяется:
- использованием в математических моделях фундаментальных уравнений газовой
динамики и теплообмена, современных численных методов;
- удовлетворительным согласованием результатов расчетов с экспериментальными
данными автора и данными других исследователей.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанные в диссертационной работе модели и методы расчета двухмерных течений и теплообмена, пакеты прикладных программ, а также полученные результаты позволяют прогнозировать и определять оптимальные параметры теплообменного тракта с МКТТ. Разработаны схемные, технологические и конструкторские решения регенеративного тракта охлаждения ЖРД и РТА с МКТТ. Экспериментально обоснована возможность создания высокоэффективного малоперепадного пористого теплообменного тракта. Применение регенеративного тракта охлаждения с МКТТ позволяет повысить удельный импульс ЖРД за счет уменьшения расхода компонента на вігутреннее охлаждение. Применение тракта с МКТТ в РТА уменьшает его массу за счет высокой эффективности теплообмена.
Результаты работы и пакеты прикладных программ используются на предприятиях НИИМАШ, НИИХМ, РКК "Энергия" им. СП. Королева, МИЦ им. М.В. Келдыша, ОАО "Энергомаш" им. В.П. Глушко в НИР и ОКР. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры "Ракетные двигатели" МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались в МГТУ им. Н.Э. Баумана (кафедра "Ракетные двигатели", отделение НИИЭМ-1, научно-техническая конференция МГТУ, Москва - 1995); на республиканской конференции "Совершенствование теории и техники тепловой защиты энергетических устройств", Киев-1987; на 9 Всесоюзной научно-технической конференции по космической энергетике, Куйбышев - 1988; на Международном аэрокосмическом конгрессе, Москва - 1994; на первой и второй Российской национальной конференции по теплообмену, Москва - 1994, 1998; на Международном симпозиуме по интенсификации теплообмена, Москва - 1995; на International Symposium of TURBULENCE HEAT AND MASS TRANSFER, Lisbon, Portugal -1996; на второй, третьей и четвертой Российской научно-технической конференции "Процессы горения и охрана окружающей среды", Рыбинск - 1995, 1997, 1999; на первой и второй Международной конференции по компактным теплообменникам для промышленности, Snowbird, USA - 1997, Banff, Canada - 1999; на второй Международной школе-семинаре "Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем", Санкт-Петербург - 1997; на первом Международном симпозиуме "Передовые термические технологии и материалы", Кацивели, Украина - 1997, на Репюнальном межвузовском семинаре "Моделирование процессов тепло- и массообмена", Воронеж -1997; на Российской межвузовской и межотраслевой научно-технической конференции
^
"Ракетно-космические двигательные установки", Москва - 1998; на Международной научной конференции "Ракетно-космическая техника", Москва - 1998; на Международной научной конференции, Самара - 1999.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37печатных работ. Получено три авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы (268 наименований), содержит 268 страниц, 21 таблицу и 95 рисунков.
