Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

К вопросу о влиянии геометрии канала заряда и свойств топлива на неустойчивость рабочего процесса в камере сгорания РДТТ

Полный текст:

Аннотация

Представлены результаты численного исследования влияния формы канала заряда и закона скорости горения твердого топлива на газодинамическую вихревую картину течения и автоколебания давления в камере сгорания ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ). Показано, что, используя численный метод, есть возможность выбрать оптимальную форму канала заряда и марку твердого топлива, обеспечивающие наименьшую вероятность возникновения пульсирующего режима горения

Для цитирования:


Глебов Г.А., Высоцкая С.А. К вопросу о влиянии геометрии канала заряда и свойств топлива на неустойчивость рабочего процесса в камере сгорания РДТТ. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(1):67-75.

For citation:


Glebov G.A., Vysotskaya S.A. On the influence of the charge channel geometry and fuel properties on the working process instability in the solid propellant rocket combustion chamber. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2017;(1):67-75. (In Russ.)

Испытания РДТТ часто сопровождаются возникновением пульсирующего (вибраци­онного) горения, которое характеризуют ин­тенсивные пульсации давления в камере сго­рания двигателя. Последние приводят, как правило, к недопустимо большим пульсациям тяги двигателя. Практика показывает, что раз­работка методов подавления пульсирующего режима горения на стадии испытаний опыт­ного образца изделия требует больших вре­менных и материальных затрат.

В работе [1] предпринята попытка соз­дать метод диагностики пульсирующего ре­жима горения в РДТТ. В результате был разра­ботан метод для двигателей с каналом заряда L/d ≥ 4, где L - длина; d - диаметр, в котором устанавливаются продольные колебания.

Данный метод основан на решении нели­нейных уравнений газовой динамики с исполь­зованием программного пакета ANSYS Fluent, включающего в себя вихреразрешающий метод LES с пристеночной функцией WALE, и может быть полезен на стадии проектиро­вания изделия. В качестве начального и гра­ничного условия необходимо задать нестационарный профиль распределения давления вдоль канала заряда в виде первой гармоники стоячей волны, аналогичной возникающей в трубе, закрытой с концов. Частоту автоколе­баний давления и скорости в первом прибли­жении можно определить на основе линейной акустики [2].

Локальный массовый расход или газоприход продуктов сгорания в любом сечении канала заряда в функции времени вычисляется с использованием закона скорости горения, по­лученного для стационарного режима работы РДТТ, применение которого при нелинейных акустических пульсациях давления в камере сгорания РДТТ требует обоснования.

В работе [2] показано, что при частотах пульсаций давления 25 Гц нестационарная ско­рость горения в функции времени практически совпадает со стационарной. На частоте 500 Гц при положительной пульсации давления ско­рость горения возрастает на 30 %, а при отри­цательной, наоборот, уменьшается примерно на ту же величину. Заметим, что в РДТТ воз­никают продольные акустические пульсации с более низкими частотами. Так, для двига­телей первой ступени ракет 9М82 эта частота составляет 160 Гц [3, 4].

В качестве объекта численного иссле­дования, как и в работе [1], выбрана камера сгорания двигателя первой ступени ракеты 9М83. Расчеты проведены в осесимметричной постановке. Топливом служило металлизиро­ванное смесевое твердое топливо, близкое по составу ПХА-4М с содержанием Al ~20 % [5]. Термодинамические свойства продуктов сго­рания твердого топлива рассчитаны в при­ближении равновесного состава двухфазной смеси Тг = Tz, иг = Uz, где U1. , Тг и Uz, Tz - соответственно скорость и температура газа и частиц Al2O3 [5, 6]. Заметим, что допуще­ние иг = Uz исключает возможность учета влияния конденсированной фазы на акусти­ческие процессы в камере сгорания РДТТ. Однако, как показано в работе [7], демпфи­рующие свойства к-фазы проявляются в ос­новном для радиальных и тангенциальных акустических колебаний, характеризующихся более высокой частотой, чем продольные авто­колебания.

Основные параметры, принятые в рас­четах:

Амплитуда пульсаций давления в пуч­ности стоячей волны задавалась равной 

Расчеты проведены с шагом по времени, равным 10-6 с. Число Куранта CFL = 1. Для не­стационарного расчета принята неявная схема. Для создания сетки использован сеточный ге­нератор ICEM CFD. Сетка - структурирован­ная, размер элемента 0,002 м со сгущением к стенке до 0,0004 м, количество элементов ~300 000 [1].

На рис. 1 представлены результаты расчета гидродинамической и акустической картины течения в исследуемом РДТТ с уто­пленным соплом на момент работы двигателя τ = 0,7 с. Мгновенная картина течения в виде линий тока соответствует движению акусти­ческой волны от заднего днища к переднему. Хорошо видны тороидальные (кольцевые) вихри A, образующиеся при взаимодействии потока из-за утопленной части сопла с основ­ным встречным потоком, а также вихри B, срывающиеся с выступа заряда твердого то­плива у переднего днища. Как показано в ра­боте [1], частота образования данных вихрей подстраивается под собственную акустиче­скую частоту продольных колебаний камеры сгорания РДТТ.

 

Рис. 1. Структура течения и акустические волны в камере сгорания РДТТ: а - акустическая волна давления вблизи поверхности заряда твердого топлива; б - линии тока продуктов сгорания; в - акустическая волна давления вдоль оси двигателя

 

Также на рисунке представлены профи­ли стоячей волны давления вдоль поверхности заряда твердого топлива (рис. 1, а) и на оси двигателя (рис. 1, в). Видно, что продольные автоколебания в камере двигателя существен­но неодномерные.

Амплитуды пульсаций P' в пучности давления у заднего днища и на входе в уто­пленное сопло меньше, чем у переднего дни­ща. Меньшие значения пульсаций давления на входе в сопло можно объяснить выносом акустической энергии через его проходное се­чение.

Расчетные данные по автоколебаниям давления P' и пульсациям скорости V', осред- ненных по поперечному сечению, в функции времени в разных областях камеры сгорания двигателя представлены на рис. 2. Автоколе­бания давления вблизи переднего и заднего днищ, а также на входе в сопло и в минималь­ном (критическом) сечении близки к гармони­ческому закону.

 

Рис. 2. Пульсации давления P' (а) и скорости V' (б) в камере сгорания РДТТ: 1 - у переднего днища; 2 - у заднего днища; 3 - на входе в утопленное сопло; 4 - в критическом сечении сопла

 

Пульсации скорости на входе в сопло характеризуются несколько иной периодич­ностью. Представленные расчетные значения пульсаций давления (см. рис. 1, 2) в исследуе­мом двигателе составили 8 % от осредненно- го давления в камере РДТТ. Отметим, что они практически совпали с результатами натурных испытаний [8, 9].

При доводке двигателя в рамках приня­той конструкции были предприняты много­численные попытки подавить существенно завышенные акустические колебания давле­ния и тяги. Для решения поставленной задачи были применены реактивные гасители коле­баний давления типа резонатора Гельмгольца, установлены микросопла на заднем днище для выноса акустической энергии [9]. Кроме того, были приняты меры по увеличению жестко­сти корпуса для исключения резонанса, вы­званного совпадением собственной частоты колебаний корпуса с частотой газового столба внутри канала заряда [10], а также установлен специальный конфузорный насадок на входе в сопло [8].

Из перечисленных способов отметим, что установка микросопел привела к сниже­нию пульсаций давления в камере РДТТ, одна­ко при этом существенно возросли двухфазные потери двигателя. Наилучший результат дало применение конфузорного насадка, устанав­ливаемого на входе в сопло [8, 11]. Данное конструктивное решение позволило умень­шить амплитуду пульсаций давления в каме­ре двигателя на 75 %, а амплитуду пульсаций тяги - в 4-5 раз.

Анализ полученных расчетных данных показал, что наиболее наглядную информацию о структуре течения в камере сгорания РДТТ отражает такой параметр, как завихренность (англ. vorticity).

На рис. 3 представлены результаты рас­чета поля завихренности, соответственно, для штатного двигателя, двигателя с конфузор- ным насадком и штатного двигателя в момент времени, когда выступ передней части заряда практически выгорел.

 

Рис. 3. Поле завихренности в зависимости от геометрии проточной части камеры сгорания РДТТ: а - исходный двигатель; б - двигатель с конфузорным насадком; в - исходный двигатель на момент времени τ = 2 с

 

Рис. 3, а, б соответствуют моменту ра­боты двигателя τ = 0,7 с. Проанализировав их, можно заключить, что при наличии конфузорного насадка интенсивность вихревого течения существенно уменьшилась. По мере выгорания заряда (рис. 3, в), когда выступ в пе­редней части выгорел, вихри не образуются. По результатам испытаний в этот момент вре­мени амплитуда пульсаций давления в камере сгорания РДТТ резко уменьшилась. Представ­ленные расчетные данные (см. рис. 3) показы­вают, насколько сильно форма канала заряда влияет на возникновение пульсирующего ре­жима горения.

На рис. 4 приведены результаты расчета газодинамических и акустических процессов в двигателе в момент времени работы τ = 0,7 с для канала заряда, в котором выступ в перед­ней части заряда был удален. Видно, что ин­тенсивных тороидальных вихрей в этом случае не образуется. Амплитуда пульсаций давления в камере РДТТ, как показали расчеты, умень­шилась почти в 3 раза по сравнению со штат­ным двигателем.

 

Рис. 4. Мгновенные линии тока и поле завихренности для формы канала заряда без выступа заряда у переднего днища во время фаз колебаний давления: а - линии тока продуктов сгорания при φ = 0; б - линии тока продуктов сгорания при φ = π; в - поле завихренности при φ = π

 

На основе численного метода в работе было исследовано также влияние закона ско­рости горения твердого топлива на нестацио­нарную гидродинамику и акустику камеры РДТТ. В расчетах использован закон скорости горения в виде [5]:

Здесь  - член, учитывающий влияние начальной температу­ры заряда Тн (где πu - коэффициент темпера­турной чувствительности);

P( х, τ) - мгновенное значение давления по длине заряда;

ν - показатель степени в законе горения.

Отметим, что в предыдущих расчетах был использован закон скорости горения с по­казателем степени ν = 0,4.

Для определения влияния закона скоро­сти горения на нестационарные процессы в ка­мере сгорания РДТТ были проведены расчеты для законов горения с показателем степени ν, равным 0,1 и 0,7. При этом член В(Тн ) был по­добран таким образом, чтобы при Тн = 293 K и давлении в камере двигателя Рк = 7 МПа ско­рость горения была одинаковой. Результаты расчета представлены на рис. 5.

 

Рис. 5. Поле завихренности для топлив с разным законом горения: а - ν = 0,7; б - ν = 0,1

 

По сравнению с ν, равным 0,7 и 0,4 (см. рис. 3, а), для ν = 0,1 интенсивные тороидаль­ные (кольцевые) вихри практически не образу­ются. Также было выявлено, что уровень пуль­саций давления у переднего и заднего днища в этом случае не превышает P' = ±1 атм.

Расчетные данные по максимальной ам­плитуде пульсаций давления во всех исследуемых вариантах формы канала заряда и законов скорости горения топлива представлены в та­блице. Там же приведены данные по амплитуде пульсаций скорости на входе в сопло и в кри­тическом (минимальном) сечении.

 

Расчетные значения пульсаций давления и скорости в характерных областях камеры сгорания РДТТ

Конструкция

Пульсация P', кгс/см2

Пульсация V, м/с

у переднего днища

у заднего днища

на входе в сопло

в критическом сечении

на входе в сопло

в критическом сечении

Штатная:

 

 

 

 

 

 

ν = 0,7

±6,5

±4,9

±2,9

±2,1

±3,8

±3,8

ν = 0,4

±5,7

±4,3

±2,3

±1,8

±3,4

±5,8

ν = 0,1

±0,9

±0,9

±0,3

±0,1

±2,2

±1,5

С насадком

 

 

 

 

 

 

ν = 0,4

±1,0

±1,1

-

±0,3

-

±2,6

Без выступа

 

 

 

 

 

 

ν = 0,4

±2,1

±1,9

±1,0

±0,7

±1,4

±1,4

В фундаментальной работе [12] отмече­но, что в природе можно наблюдать два типа вихрей: вихревые кольца или вихревые трубки, начинающиеся и заканчивающиеся на поверх­ностях раздела сред. Как следует из статьи [1] и данной работы, интенсивные вихревые коль­ца, или тороидальные вихри, могут стать при­чиной нежелательного пульсирующего режима горения, поэтому при выборе формы канала заряда желательно исключить возникновение кольцевых вихрей.

Анализ известных форм каналов заряда РДТТ показал, что наименьшая вероятность возникновения тороидальных вихрей харак­терна для зарядов звездообразной формы. В исследуемом РДТТ заряд с круглым поперечным сечением был заменен семилучевым звездо­образным зарядом. Для данной формы канала заряда были проведены газодинамические рас­четы в стационарной трехмерной постановке. На основе расчетов получены поля скорости, давления, температуры, турбулентных харак­теристик и других параметров в камере РДТТ. Температура стенок элементов конструкции камеры сгорания двигателя и соплового блока при выполнении расчетов была принята рав­ной температуре деструкции композиционного углеволокнита марки ЭПАН-2Б, представляю­щего собой термореактивную композицию на основе углеродного наполнителя и фенольного связующего, - 940 K [13].

Результаты расчета вихревой структуры течения на входе в утопленное сопло, а также распределение коэффициента теплоотдачи по поверхности утопленного сопла представлены на рис. 6. Между лучами канала заряда обра­зуются семь подковообразных вихрей, кото­рые первоначально возникают как попереч­ные вихри E. Заметим, что в случае гладкого канала заряда на входе в сопло образовался бы один мощный поперечный тороидальный вихрь. В данном случае поперечные вихри E не замкнуты и их правая и левая части C и D основным потоком увлекаются в сопло, обра­зуя два продольных вихря. Образование подоб­ных продольных вихревых структур в научной литературе известно как явление вытягивания или растяжения поперечных вихрей основным осевым потоком [14].

 

Рис. 6. Вихревая структура течения на входе в утопленное сопло РДТТ со звездообразным зарядом: а - подковообразные вихревые структуры на входе в сопло; б - распределение коэффициента теплоотдачи по внешней поверхности утопленного сопла; в - схема образования продольных вихревых структур

 

В процессе вытягивания (растяжения) кинетическая энергия вращения увеличивается за счет кинетической энергии движения газо­вого потока вдоль оси двигателя. На рис. 6, б хорошо видны также продольные вихри A и B, возникающие в результате интенсивного ра­диального истечения продуктов сгорания из внутренней части лучей канала заряда к оси двигателя. По отношению к ребрам канала заряда эти два вихря являются поперечными, а по отношению к оси двигателя - продольны­ми. В утопленное сопло они входят как про­дольные вихри A и B, в дальнейшем объеди­няющиеся в один продольный вихрь. Кроме того, на рис. 6, б представлено распределение конвективной теплоотдачи по наружной по­верхности утопленного сопла. В результате расчетов выявлено, что наибольшее значе­ние конвективной теплоотдачи имеет место на входной кромке непосредственно под попереч­ной частью подковообразного вихря C-E-D.

Схема вихревой структуры в камере сго­рания РДТТ со звездообразным зарядом приве­дена на рис. 6, в. На рис. 6, б, в показаны так­же линии тока вблизи поверхности наружной части утопленного сопла.

Подводя итоги, можно заключить, что в результате исследования на основе числен­ных расчетов удалось подтвердить существен­ное влияние формы канала заряда на неустойчивость рабочего процесса в камере сгорания РДТТ. Показано, что наличие внезапного рас­ширения канала заряда, а также увеличенная площадь горения в области пучности давления акустической стоячей волны может приве­сти к возникновению пульсирующего режи­ма горения. Использование звездообразной (многощелевой) формы канала заряда позво­ляет исключить возникновение тороидальных вихревых структур и уменьшить вероятность возникновения пульсирующего режима горе­ния. Подтверждено, что одним из способов подавления неустойчивого (пульсирующего) режима горения является применение топлив с наименьшим значением показателя степени в законе скорости горения.

Список литературы

1. Глебов Г.А., Высоцкая С.А. Моделирование когерентных вихревых структур и автоколебаний давления в камере сгорания РДТТ // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей».2016. Вып. № 4. С. 18-25.

2. Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе М.: Наука,1967. 368 с.

3. Kopp C. NIEMI/Antey S-300V 9K81/9K81-1/9K81M/MK Self Propelled Air Defence System / SA-12/SA-23 Giant/Gladiator. Technical Report APA-TR-2006-1202. AFAIAA, SMIEEE, PEng.2003-2012.URL: http://www.ausairpower.net/APA-Giant-Gladiator.html (дата обращения 17.05.2017).

4. Моделирование рабочих процессов в РДТТ. Труды сем. Вып. XXIII. Физ.-техн. ин-т КФ АН СССР, Казань, 1989. 77 с.

5. Соколов Б.И., Черенков А.С., Соломыков А.И. Термодинамические и теплофизические свойства твердых ракетных топлив и их продуктов сгорания. Мин-во обороны СССР,1977. 316 с.

6. Термодинамические и термофизические свойства продуктов сгорания. В 10 т. Т. 1. Под ред. В. П. Глушко. М.: АН СССР, ВИНИТИ. 1971. 263 с.

7. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. М: Машиностроение, 1987. 272 с.

8. Глебов Г.А., Щёлков А.Н., Коврижных Е.Н. Влияние структуры течения в проточном тракте на устойчивость работы РДТТ // Моделирование рабочих процессов в РДТТ. Труды сем. Вып. XXIII. Физ.-техн. ин-т КФ АН СССР, Казань, 1989. С. 34-40.

9. Сухинин С.В., Ахмадеев В.Ф. Автоколебания в газовой полости реактивного двигателя твердого топлива // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37. № 1. С. 42-52.

10. Конькин Л.В., Кочергин В.Н., Фахрутдинов И.Х. Определение собственных частот и форм продольных колебаний газа в камерах, имеющих сложную форму по длине // Моделирование рабочих процессов в РДТТ. Труды сем. Вып. XXIII. Физ.-техн. ин-т КФ АН СССР, Казань, 1989. С. 16-25.

11. АС № 267040 (СССР) / Г.А. Глебов, Е.Н. Коврижных, А.Н. Щёлков, И.Х. Фахрутдинов. Опубл. 01.09.1987 (заявка № 3139675 от 09.04.1986).

12. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987. 840 с.

13. Чернов Ю.В. Расчет теплозащитного покрытия с внешним уносом массы. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. 39 с.

14. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974. 280 с.


Об авторах

Г. А. Глебов
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева)
Россия


С. А. Высоцкая
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева)
Россия


Для цитирования:


Глебов Г.А., Высоцкая С.А. К вопросу о влиянии геометрии канала заряда и свойств топлива на неустойчивость рабочего процесса в камере сгорания РДТТ. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(1):67-75.

For citation:


Glebov G.A., Vysotskaya S.A. On the influence of the charge channel geometry and fuel properties on the working process instability in the solid propellant rocket combustion chamber. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2017;(1):67-75. (In Russ.)

Просмотров: 76


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)