Коэффициент охлаждения (охл)

Обеспечение надежного охлаждения камеры велось по двум направлениям:

– реализация высокоэффективного наружного охлаждения;

– определение оптимальных параметров внутреннего охлаждения.

Для обеспечения высокоэффективного наружного охлаждения проводились расчетно-экспериментальные работы по выбору схемы охлаждения, места подвода водорода в камеру на охлаждение и интенсификации охлаждения в охлаждающем тракте за счет введения искусственной шероховатости.

Исследования характеристик теплообмена водорода в зависимости от шероховатости стенки проводились в ГИПХе на модельной кислородно-водородной камере с диаметром цилиндрической части 50 мм. По результатам работ оценена эффективность искусственной шероховатости стенки на дне паза тракта охлаждения.

При степень интенсификации теплообмена может достигать величины 1,9-2,3. Шероховатость стенки обеспечивается механической обработкой поверхностей.

Внедрение искусственной шероховатости в тракте охлаждения камеры обеспечило в наиболее теплонапряженных участках камеры увеличение теплообмена в 1,6 раза.

Работы по исследованию параметров внутреннего охлаждения были направлены на определение оптимальных параметров пристеночного слоя от головки с пониженным соотношением компонентов топлива, эффективно влияющих на охлаждение. В результате проведенных исследований были приняты расход топлива в пристеночный слой ~ 10 % от суммарного расхода топлива и соотношение компонентов топлива в пристеночном слое ~ 4,25. Для снижения окружной неравномерности в пристеночном слое у стенки камеры в огневом днище напротив периферийных форсунок была выполнена локальная водородная завеса.

Реализация мероприятий по внутреннему охлаждению обеспечила получение коэффициента _охл=0,997.

Коэффициент регенерации (рег)

При охлаждении камеры тепло отбирается из пристеночного слоя газа в камере сгорания и сопле, передается водороду, охлаждающему камеру, и далее поступает в камеру. Теплосъем с камеры сгорания и сопла изменяет величину энтальпии водорода на входе в камеру.

Эффект регенерации увеличивает удельный импульс тяги. По результатам проведенных расчетно-экспериментальных работ коэффициент регенерации камеры равен _рег=1,0056.

Коэффициент сопла (_с )

Коэффициент сопла определяется посредством газодинамического расчета. В состав этого коэффициента входят потери на трение, зависящие от шероховатости огневой стенки.

В современных ЖРД больших тяг реализуется течение газа с большими числами Рейнольдса , при которых имеет место отличие потерь импульса тяги из-за трения (_тр) в зависимости от шероховатости сопла со стороны горячих газов.

Гидравлически гладкая поверхность сопла обеспечивается его полировкой до чистоты высокого класса. В Исследовательском Центре им. М.В. Келдыша проводились продувки сопел с полированной внутренней поверхностью до 0,9 мкм и технически гладкой поверхностью до 10 мкм в диапазоне чисел Рейнольдса . Измерением разности тяг на дифференциальном стенде и изменением параметров пограничного слоя с помощью насадка полного давления установлено, что при потери из-за трения в сопле с полированной поверхностью примерно в два раза меньше, чем в сопле с технически гладкой поверхностью.

Для определения влияния полировки сопла на удельный импульс тяги и параметры теплообмена были проведены специальные огневые испытания натурного ЖРД конструкции КБХА с полированной внутренней поверхностью сопла.

Сопло двигателя имело следующие параметры: диаметр критического сечения d_кр = 131 мм; диаметр выходного сечения D_а = 798 мм; длина сверхзвуковой части сопла L_с = 919,5 мм; длина входной части сопла L_вх = 209 мм; число Рейнольдса Re_wo = 2,95 ∙ 10⁹. Двигатели проходили огневые испытания с полностью полированной поверхностью сверхзвуковой частью сопла, частично полированной, а также с неполированным соплом. Полученные данные были использованы для определения допустимой шероховатости, при которой поверхность может считаться гидравлически гладкой. Для этой цели по специальной методике были проведены расчеты параметров пограничного слоя испытанных двигателей. При сравнении расчетов с экспериментальными данными установлено, что гидравлически гладкая поверхность возможна при условии _л/R_а  1 (_л – толщина ламинарного подслоя; R_а – среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости). В результате исследований была определена эффективность полировки огневой стенки дозвуковой и сверхзвуковой частей сопла. Выявлено, что для сопла двигателя РД0120 во входной части и на сверхзвуковой части до относительного диаметра целесообразно производить полировку с обеспечением шероховатости ~ 0,8 мкм, после указанного диаметра сверхзвуковое сопло является гидравлически гладким даже при отсутствии полировки.

При внедрении полировки во входной и частично в сверхзвуковой частях камеры потери на трение составили ~ 1,47 %, что позволило получить _с .

Проведенный комплекс экспериментальных исследований по совершенствованию рабочего процесса и параметров охлаждения позволил получить при степени расширения сопла F_а = 85,7 высокое значение удельного импульса тяги (при предельно высокой полноте смесеобразования _с ).

УДК 629.7.036.54-63

ОТРАБОТКА УСТОЙЧИВОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОЙ КАМЕРЫ ТЯГОЙ 190 ТС ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ РД0120

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

Татарко А.И. – КБХА

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

Освещена отработка устойчивости рабочего процесса в камере сгорания, которая проводилась в два этапа.

Кислородно-водородная камера большой тяги и высокого давления (p_к = 20,6 МПа) для самого мощного в России однокамерного двигателя в практике отечественного ЖРД-строения разрабатывалась впервые.

Двигатель РД0120 разрабатывался для одноразового использования в ракете-носителе «Энергия».

В США подобный двигатель SSME проектировался как многоразовый, и с учетом этой особенности в конструкции камеры головка выполнена разъемной со специальными мероприятиями по обеспечению устойчивости рабочего процесса. В целом головка представляет собой сложный агрегат, в состав которого входят 525 основных и 75 выдвинутых в камеру соосно-струйных форсунок для создания антипульсационных перегородок. Форсунки имеют различную длину, винтовые ребра жесткости и фильтры. В конструкции смесительной головки предусмотрены 8 акустических полостей.

В конструкции же смесительной головки двигателя РД0120 специальные конструктивные мероприятия, например антипульсационные перегородки или акустические поглотители, для повышения запасов устойчивости не предусматривались.

Предполагалось, что элементами, способствующими демпфированию колебаний давления в камере сгорания могут быть перфорированное огневое днище (~ 18000 отверстий диаметром 0,2 мм), промежуточная полость между блоками головки (объем полости 1220 см²), крупнорасходные (444 шт.) соосно-струйные форсунки, растягивающие зону горения.

Отработка устойчивости рабочего процесса в камере сгорания проводилась в два этапа.

На первом этапе исследовалось влияние заложенных проектных конструкторских решений на устойчивость рабочего процесса на модельных установках.

На втором этапе проводилась отработка устойчивости рабочего процесса камеры сгорания в составе двигателя.