Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 11
1.1. Обзор информации по исследованию обтекания потоком рельефной поверхности 11
1.2. Обзор литературы по газодинамическому регулированию высотности круглых сопел 20
1.2.1, Способы регулирования высотности сопел 20
1.2.2. Анализ конструктивных схем сопел
регулируемой высотностью 38
1.3. Обзор методик по профилированию реактивных сопел 39
1.4. Постановка задачи 44
ГЛАВА II, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ УСТАНОВКА 46
2.1. Пневмогидросхема установки 48
2.2. Выбор тензостакана 51
2.3. Диффузор для дифференциальной установки 62
2.4. Методика проведения эксперимента 70
2.5. Оценка погрешности результатов экспериментов 72
2.6. Выводы по главе 811
ГЛАВА III. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОТНОСТИ СОПЛА 82
3.1. Описание моделей 82
3.2. Щелевое высотное сопло 85
3.3. Дренажные испытания 95
3.3.1. Описание моделей 96
3.3.2. Результаты дренажных испытаний 96
3.4. Щелевое сопло с уступом и поясами отверстий 99
3.5, Щелевое сопло с двумя кольцевыми щелями 101
3.7. Анализ результатов эксперимента 114
3.8. Выводы по главе 137
ГЛАВА IV. СОПЛОВЫЕ БЛОКИ 138
4.1. Сопловой блок с круглым насадком 138
4.2. Сопловой блок с плоским насадком 150
4.3. Методика профилирования короткого сопла 164
4.3.1. Описание метода 166
4.3.2. Алгоритм расчетов 171
4.3.3. Результаты расчетов 172
4.3.4. Результаты экспериментов 180
4.4. Выводы по главе 184
ГЛАВА V. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ РЕЛЬЕФНОЙ ПОВЕРХНОСТИ СОПЛА 186
5.1. Постановка задачи 186
5.2. Решение с плоскими волнами 189
5.3. Обтекание поверхности пластинки с одноволновой рельефной структурой 193
5.4. Обтекание поверхности пластинки с рядной рельефной структурой 202
5.5. Обтекание поверхности пластинки с шахматной рельефной структурой 208
5.6. Обтекание поверхности пластинки с ромбической рельефной структурой 209
5.6.1. Ромбическая рельефная поверхность с выступами 209
5.6.2. Ромбическая рельефная поверхность с впадинами 213
5.7. Критические режимы обтекания пластинки с рельефной поверхностью 216
5.8. Экспериментальное исследование волновых сопротивлений цилиндрических насадков 224
5.8.1. Описание моделей 224
5.8.2. Проведение экспериментов 233
5.8.3 Анализ экспериментальных данных 249
5.9. Выводы по главе 261
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 263
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 266
- Обзор информации по исследованию обтекания потоком рельефной поверхности
- Пневмогидросхема установки
- Щелевое высотное сопло
- Сопловой блок с круглым насадком
- Обтекание поверхности пластинки с одноволновой рельефной структурой
Введение к работе
По мере развития и совершенствования ракетно-космической техники растут требования, предъявляемые к эффективности ракетного двигателя. Эффективный двигатель отвечает большому ряду требований, среди которых он должен, прежде всего, иметь максимальный удельный импульс при минимальных массе и габаритах. Среди большого числа факторов, от которых зависят удельный импульс, габариты и масса двигателя, важную роль играет реактивное сопло.
Как известно, при жестком, нерегулируемом сопле с оптимальной высотностью максимальный удельный импульс будет достигнут тогда, когда давление на срезе выбрано равным некоторому среднему по траектории атмосферному давлению. Однако и в этом случае потери, вызываемые атмосферным противодавлением, все же остаются еще значительными, так как фактически сопло работает на нерасчетных режимах.
Наибольший или предельный средний по траектории удельный импульс будет иметь двигатель, снабженный соплом с идеально регулируемой высотностью. Однако создание такого сопла встречает большие конструктивные трудности, и его пока нет на практике.
Современные и перспективные двигатели мощных ракетоносителей, например, РН «Энергия» (двигатель РД-0120), РН «Space Shuttle» (двигатель SSME), РН «Ариан-5» (двигатель «Вулкан») начинают работать со старта на Земле и далее действуют в условиях переменного атмосферного давления. Сопла таких двигателей на малых высотах полета работают с перерасширением, а на больших - с недорасширением, так как рассчитаны на давление на срезе 0.02 МПа. Поэтому они на старте из-за перерасширения имеют заметные потери удельного импульса, которые могут достигать до 10 - 15%, а в вакууме - до 2 - 9 %.
Отсюда видно, что большие возможности в повышении удельного импульса двигателя имеют сопла с регулируемой степенью расширения. Высокие потери тяги из-за перасчетности истечения интенсифицируют работы по модернизации существующих реактивных сопел с фиксированной степенью расширения. Такие работы ведутся в США - на фирме «Рокетдайн», во Франции - на фирме «СЕР», в Японии - на фирме «Мицубиси», а в России - в Центре им. Келдыша, НПО «Энергомаш», КБ Химавтоматики, МАИ и других фирмах.
Для устранения перерасширения газа внутри сопла предложены различные способы регулирования высотности сопла: например, сопло с удаляемой вставкой, сопло с изломом контура, сопло с выдвижным насадком, трехкомпонентный двигатель с двумя критическими сечениями и т.д. Однако все эти сопла имеют ряд недостатков.
Одним из перспективных решений регулирования высотности сопла является применение схемы щелевого сопла с большой степенью расширения, в котором организован специальный разрыв контура на сверхзвуковой части в виде узкой кольцевой щели. Причем, конструкция щелевого сопла не слишком усложняется. Такие сопла исследуются, начиная с 80-х годов, в Центре им. Келдыша и в МАИ.
Во время работы двигателя на старте ракеты вблизи Земли повышенное атмосферное давление воздействует через узкую кольцевую щель на поток в сопле, вызывая принудительный отрыв газа от его стенок. Благодаря отрыву потока газа, в сопле не происходит перерасширения газа, и сопло работает близко к расчетному режиму. Поэтому представляется целесообразным провести широкое исследование щелевого сопла с большой степенью расширения и получить достаточную информацию об их свойствах и возможности практического их использования в двигателях.
Для повышения в перспективе конкурентоспособности отечественных ракетоносителей (РН) на мировом рынке необходимо создать новое поколение двигательных установок (ДУ). Одним из направлений направлением совершенствования ракетных двигателей является разработка конструкций сопловых блоков, содержащих несколько обычных круглых сопел, расположенных в ряд и снабженных общим высотным насадком. Например, фирмой Lockheed Martin (США) разрабатывается ДУ для ЛА Х-33, состоящего из двух рядов по десять камер сгорания в каждом и общего центрального плоского насадка. Преимуществом конструкций этих блоков является то, что подбором необходимого количества камер сгорания можно обеспечить требуемый уровень тяги двигательной установки. А также регулирование степени расширения газа в них. Отладку каждого двигателя можно проводить автономно. Экономичность модульной конструкции соплового блока очевидна при разработке ДУ большой тяги.
Кроме того, из-за габаритных ограничений ДУ может возникнуть необходимость существенного укорочения длины круглого сопла, используемого в сопловом блоке, даже ценою некоторого возрастания потерь удельного импульса. Широко используемые на практике более простые и удобные инженерные методики, как правило, основываются на модификации течения газа в некотором «базовом» сопле. Однако при уменьшении длины сопла эти методики не могут быть автоматически перенесены на построение контуров коротких круглых сопел. При переходе к коротким соплам картина течения качественно меняется, в поле течения появляется висячий скачок уплотнения. Поэтому разработка инженерной методики профилирования коротких круглых сопел является актуальной задачей.
С целью уменьшения массы двигателя при изготовлении сопла с большой степенью расширения стенки пологой части его оболочки выполняются тонкими. При работе такого сопла на режимах перерасширения возникают деформации и искажение его контура (например, на двигателе РД-0120), в результате чего на оболочке сопла возникает волнистая поверхность с рельефной структурой в виде выступов и впадин. При обтекании потоком рельефной поверхности со сложной структурой из-за волнового сопротивления могут возникнуть большие потери тяги.
Упорядоченная рельефная структура поверхности может возникнуть не только в реактивных соплах ЖРД и РДТТ, но и на головной части ракеты, в камерах сгорания ГПВРД и других элементах летательного аппарата. У нас, в стране обтекание ромбической рельефной структуры поверхности исследовали в Центре им. Келдыша Грязнов В.П. и Сергиенко А.А, которые обнаружили это явление при огневом стендовом испытании сопла с теплозащитным покрытием. За рубежом рельефную структуру на поверхности аблирующих конусов исследовали Вильяме, Свигарт, Ингер, Шток, Лаганелли, Тобак, Хаген, Кубота и другие.
В классических трудах (например, в книге академика Черного Г.Г. «Газовая динамика») с помощью метода разделения переменных решена двухмерная задача об обтекании потоком одноволновой рельефной поверхности. Однако задача об обтекании волнистой поверхности с трехмерной рельефной структурой не была решена. Поэтому необходимо было провести расчетно-теоретический анализ и экспериментальные исследования волнового сопротивления, возникающего при обтекании такой рельефной поверхности.
Для проведения экспериментальных исследований была модернизирована дифференциальная установка. Такие установки представляют собой принципиально новые методы исследования сопел ракетных двигателей и определения потерь тяги в них.
Высокая точность измерения потерь тяги достигается тем, что на установке производится непосредственное измерение малой разности больших величин - разности тяг двух сравниваемых сопел. Экспериментальное исследование на дифференциальной установке тяговых характеристик щелевого сопла требует повышения точности измерения разности тяг двух сравниваемых сопел, а также проведения испытаний высотных сопел в земных условиях. Поэтому модернизация дифференциальной установки является актуальной задачей.
В первой главе проведен обзор научно-технической информации по исследованию обтекания потоком волнистой поверхности со сложной рельефной структурой, по различным способам регулирования высотности сопел и по методам профилирования коротких круглых сопел.
Вторая глава посвящена модернизации дифференциальной установки, предназначенной для определения потерь тяги в реактивных соплах.
В третьей главе рассмотрены газодинамические способы регулирования высотности сопла с большой степенью расширения. Представлены результаты опытов, проведен их анализ и даны рекомендации по проектированию щелевых сопел.
Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию тяговых характеристик сопловых блоков, состоящих из круглых сопел, которые расположены в один или несколько рядов и снабжены высотным насадком.
В пятой главе представлены результаты расчетно-теоретического анализа и экспериментального исследования волнового сопротивления рельефной поверхности реактивного сопла, содержащей периодически повторяющиеся выступы и впадины.
Обзор информации по исследованию обтекания потоком рельефной поверхности
За рубежом значительное внимание уделяется выявлению основных механизмов, определяющих возникновение на поверхности головной части летательного аппарата упорядоченной рельефной структуры в виде выступов и впадин [1]. Практический интерес к этому явлению связан с тем влиянием, которое оно оказывает на температуру поверхности и динамику полета летательного аппарата.
По отношению к теплообмену упорядоченная рельефная структура поверхности может рассматриваться как форма шероховатости поверхности, приводящая к увеличению теплоотдачи по сравнению с гладкой стенкой [2]. Воздействие рельефной структуры поверхности на динамику полета летательного аппарата проявляется в связи между рельефным рисунком и моментом крена, которая экспериментально исследовалась многими авторами, в частности, Вильямсом [3].
Установлено, что рельефная структура поверхности любого типа может вызывать вращение тела относительно оси крена. Причем при ромбической рельефной сетке возникает наибольший момент крена. Было замечено, что рельефная сетка [3] образуется пересекающимися спиральными канавками с правым и левым направлениями спирали на поверхности тела и угол наклона спирали (волновой угол) зависит от числа Маха на границе пограничного слоя. В этой связи было сделано предположение о существовании у поверхности модели системы стоячих волн, из чего следовал вывод о невозможности возникновения рельефной структуры поверхности в дозвуковом потоке. Была также выявлена связь между изменением длины волны рельефной структуры поверхности и давлением потока, а также между изменением шага рельефной сетки в направлении течения и поверхностным трением.
Физическая модель процесса основана на концепции клиньев турбулентности, образующихся при разрушении системы присоединенных вихрен, которые создаются элементом шероховатости. Предполагается, что вдоль вершины клина образуются дополнительные продольные вихри. Образование этих дополнительных вихрей приводит к возникновению возмущений давления, которые распространяются в конусах Маха [4, 5].
Ларсеном и Мейтиром [6] было установлено, что для образования упорядоченной рельефной структуры поверхности необходимо существование местного сверхзвукового течения. Им также подтверждена возможность возникновения рельефной структуры поверхности как в случае осесимметричного, так и двумерного потока. Они обнаружили, что существование сверхзвукового потока и турбулентного пограничного слоя является необходимым, но недостаточным условием для образования рельефной структуры поверхности.
В связи с этим было сделано предположение, что третьим условием возникновения рельефной структуры поверхности является существование достаточно тонкого пограничного слоя, для которого распределение давления на поверхности модели по существу совпадает с распределением давления в этом слое. Это позволило заключить, что механизм процесса определяется ударными волнами, которые порождаются возмущениями давления и вызывают неравномерную абляцию поверхности, что и создает рельефный рисунок.
Пневмогидросхема установки
Дифференциальная установка, схема которой приведена на рис. 20, состоит из следующих деталей:
1 - нижний ресивер;
2 - хонейкомб;
3 - тензометрический стакан;
4 - предохранительный чехол;
5 - колонна (вертикальная труба); 6,18 -диффузоры;
7,17 - объекты исследования - сопла;
9,15 - рабочие цилиндры;
10,13 - блок делительных сопел;
11 - цилиндрическая сетка;
12 - воздушный дифференциал; 14 - демпфер.
Модельные сопла, рабочие цилиндры, воздушный дифференциал и колонна образуют маятниковый узел, который качается на тонкостенном полом тензометрическом стакане (рис. 21). Все детали и узлы установки, кроме модельных сопел и уплотнительных колец, изготовлены из нержавеющей стали марки 1Х18Н9Т. В качестве материала для изготовления уплотнительных колец были выбраны медь и резина.
Колонна представляет собой стальную трубу, внутренний диаметр которой равен dQlf= 40 мм, наружный dH= 50 мм, а длина L = 1200 мм. К обоим торцам колонны были приварены фланцы, предназначенные для ее крепления к тензостакану и воздушному дифференциалу, имеющий следующие размеры; %г= 114 мм, dH= 134 мм, L = 230 мм. Рабочий цилиндр представляет собой трубу и имеет следующие
геометрические размеры; %/= 54 мм, %= 68 мм, L = 300 мм. На одном конце рабочего цилиндра приварен фланец, а на другом нарезана резьба М68х1,5. Два рабочих цилиндра с помощью фланцев крепятся к воздушному дифференциалу, а воздушный дифференциал - к колонне. К открытым торцам рабочих цилиндров установлены испытуемые сопла, которые фиксируются к цилиндрам с помощью накидных гаек. Для разделения воздуха в постоянном соотношении на входе в цилиндры установлены блоки делительных сопел, состоящие из пяти сопел, одно из которых расположено в центре, а четыре - на периферии. Описание конструкции дифференциальной установки подробно изложены в работах [ 55, 56, 57, 106].
Щелевое высотное сопло
Так как внешнее давление р„=о во время испытаний сопел остается неизменным, то изменение степени перерасширения сопла (т.е. отношение ра/рн, которое должно происходить при изменении высоты полета), производится путем изменения давления перед соплом. Если во время испытания будет снижаться давление перед соплом, то будет уменьшаться давление на срезе ра= ркп(Х ), т.е. будет уменьшаться отношение ра/рн, что будет эквивалентно уменьшению «высоты полета». Здесь к(Хй) - газодинамическая функция (постоянная величина для данного сопла).
На рис. 30 представлены результаты испытаний щелевого сопла при наличии в сверхзвуковой его части кольцевой щели, стенки которой перпендикулярны оси сопла, причем щель расположена в сечении dl = 1.4. Видно, что при относительной ширине щели Ьщ/ІІкр = 0.2 наибольший прирост тяги составляет 5 - 5.5 % от идеальной тяги. Прирост тяги сохраняется при давлении на срезе сопла до ра/ рн = 0,045. На рис. 30, кривая 2 представлены также результаты, полученные при отсутствии участка сопла за щелью, то есть ширина щели становится бесконечной. Видно, что при отсутствии за щелью участка сопла прирост тяги намного больше, чем при ширине щели hy / Ккр= 0,2. Это говорит о том, что участок сопла за щелью создает заметное сопротивление расширению газа. Кроме того, из рис. 30 видно, что наличие только одной кольцевой щели недостаточно для восстановления давления на внутренней поверхности участка сопла за щелью рщ р„. На рис. 31 приведено сравнение результатов измерения прироста тяги при работе щелевого сопла от положения стенок кольцевой щели (находятся ли они перпендикулярно или параллельно оси сопла). Причем щели были расположены в одном и том же сечении сопла. Из рис. 31 видно, что при одинаковых размерах обе щели дают примерно один и тот же максимум прироста тяги ДР / Рт = 5 - 5.5%. Однако диапазон изменения давления, при котором наблюдается прирост тяги, значительно шире в щелевом сопле, стенки которого параллельны его оси (рис. 31, кривая 2). Известно, что наличие уступа само по себе на некоторых режимах работы высотного сопла несколько увеличивает тягу. Поэтому для того чтобы сравнение влияния на прирост тяги щелей с параллельными и перпендикулярными стенками проводилось при одинаковых условиях, у обеих щелей высота уступов была одинаковой. Из рис. 31, кривая 3 видно, что создание уступа на щели с перпендикулярными стенками привело к некоторому расширению диапазона изменения давления, при котором реализуется положительный эффект. Однако щель с перпендикулярными стенками даже при наличии уступа оказалась менее эффективной, чем щель с параллельными стенками.
На рис. 32 показана зависимость прироста тяги от расположения щели по длине сверхзвуковой части, стенки которой параллельны оси сопла. Было испытано 3 сопла. У первого сопла кольцевая щель располагалась на расстоянии Li= 12 мм от критического сечения, у второго сопла - на расстоянии Lj- 25 мм, у третьего сопла - L(= 37 мм. Видно, что чем дальше расположена щель от критического сечения, тем шире диапазон изменения давления, при котором наблюдается прирост тяги. При этом максимальный прирост тяги приходится на щель, расположенную ближе к критическому сечению сопла Li= 12 мм (рис. 32, кривая 1).
На рис. 33, кривая 2 (кривая 1 - без смещения контура) представлены результаты испытания щелевого сопла со смещенным на 1,5 мм от оси сопла участком, расположенным за щелью.
Сопловой блок с круглым насадком
Сопловой блок состоит из четырех расположенных по окружности круглых конических сопел, выходные сечения которых охвачены общим круглым коническим насадком (рис, 56, 57). Круглые сопла рассчитаны на число Маха М = 2.6 и имеют следующие геометрические размеры;
da= 10 мм - диаметр выходного сечения
djq, = 5.5 мм - диаметр критического сечения
Ра = 15 - угол раствора сверхзвуковой части на одну сторону.
Круглые сопла, расположенные по окружности, и круглый насадок, охватывающий выходные их сечения, образуют сопловой блок, который рассчитан на число Маха Ма= 4.18 и имеет выходной диаметр da=36 мм. Контур насадка является продолжением контуров круглых сопел. В качестве эталона для сравнения использовано круглое коническое высотное сопло с гладкой поверхностью. Площадь критического сечения этого сопла равна суммарной площади критических сечений четырех круглых сопел предварительного расширения F 78,5 мм, а площадь его выходного сечения равна площади выходного сечения круглого насадка, то есть dc=dH, где dc - диаметр выходного сечения эталонного сопла, dH - диаметр выходного сечения круглого насадка. Методика профилирования коротких круглых сопел приведена в разделе 4,3.
Исследованы тяговые характеристики соплового блока с круглым высотным насадком в диапазоне изменения давления на срезе насадка 0.05 ра / р„ 0.3 и на расчетном режиме ра = 1. Имитация высотных условий работы сопла достигается путем использования на дифференциальной установке цилиндрических диффузоров, благодаря которым при испытании высотных сопел в земных условиях обеспечивается безотрывное течение газа. Результаты испытаний соплового блока, состоящего из четырех круглых сопел без насадка представлены на рис. 58 (кривая 1). Видно, что максимально возможное значение прироста тяги составляет 6.5%. На этом же рисунке приведено значение прироста тяги того же соплового блока, снабженного круглым насадком (кривая 2).
Обтекание поверхности пластинки с одноволновой рельефной структурой
В ряде случаев реактивные сопла ракетного двигателя деформируются при изготовлении или испытаниях, разгораются и искажаются в процессе эксплуатации таким образом, что на оболочке образуются периодически повторяющиеся впадины и выступы [1 - 33]. В этом случае увеличивается «смоченная» поверхность сопла, что приводит к увеличению трения газа о стенку и росту потерь тяги из-за трения.
Однако при сверхзвуковом обтекании потоком газа поверхности сопла с рельефной структурой могут возникнуть еще и волновые потери тяги из-за возникновения волнового сопротивления элементов рельефной структуры поверхности.
Такой вид волнового сопротивления в литературе практически не рассматривается, и данных по нему нет. Только в работах [23 - 33] при анализе флаттера плоской панели и природы образования рельефной структуры поверхности у аблирующих материалов [21] авторы подошли близко к теме настоящей работы, что позволяет продолжить и распространить анализ, сделанный в работе [ 20 ], на рассматриваемую здесь проблему. Заметим, что для поверхности сопла с трехмерной упорядоченной рельефной структурой нельзя воспользоваться законом плоских сечений Ильюшина А.А.[23] при определении газодинамических сил, так как закон плоских сечений формулировался и обосновывался для обтекания двухмерных тел: плоских или осесимметричных и для трехмерных тел оказывается непригодным.
В настоящей работе рассмотрена модель волнистой поверхности круглого сопла с рельефной структурой в виде плоской панели, имеющей три типа рельефной структуры: рядная, шахматная и ромбическая. Переход от осесимметричной оболочки сопла к плоской панели возможен вследствие малости смещения \ его контура от исходного теоретического профиля относительно расстояния от оси %/г« 1.
Расчетная рельефная поверхность оболочки сопла моделируется синусоидальными кривыми. Реальные смещения контура сопла могут иметь и более сложные профили выступов и впадин. Как показано в тексте, моделирование реального профиля сопла простым синусоидальным кривым позволяет достаточно точно сохранять такую важную характеристику, как среднее квадратичное значение угла наклона поверхности к вектору скорости обтекающего потока газа. Поэтому мы здесь ограничились синусоидами.
