ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ВЫЗВАННОЙ РАЗБРОСАМИ ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ КАМЕРЫ ЖРД, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ВЕРОЯТНОСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВ АНИЯ.............................................10
1.1. Современное состояние проблемы, вызвм п юй разбросами
ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ КАМЕРЫ ЖРД...........10
1.2. Обоснование внутренней стохастичности в конечно-элементной модели..................................................... 20
1.3. Применение методов робастного проектирования с использованием вероятностных алгоритмов для решения и оптимизации технических ЗАДАЧ........................................................28
1.4. Выводы, цель работы и задачи исследований.................33
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕСИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.......................................... 35
2.1. Описание стенда и методика проведения эксперимента........35
2.2. Автономные гидравлические испытания форсунок..............37
2.3. Результаты гидравлических испытаний смесительной головки 41
2.3Л. Проливка смесительной головки по линии “Г”..............43
2.3.2. Проливка смесительной головки по линии ’’О”............45
2.4. Статистическая обработка экспериментальных данных.........47
2.5.Выво д.....................................................58
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДОВ ПО ФОРСУНКАМ СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ..........................................................60
3.1. Анализ гидравлических испытаний, проведенных в ОАО КБХА [106] 60
3.2. Математическая модель гидродинамических процессов распределения компонента топлива по форсункам смесительной головки.................................................... 65
3.3. Расчет распределения расходов по форсункам при условии равномерного подвода по периферии головки....................68
3.4. Влияние предфорсуночного коллектора на распределение по форсункам....................................................70
3.5. Влияние неперпендикулярности исполнения штуцера подвода 75
3.6. Влияние случайных отклонений коэффициентов расхода форсунок 77
3.7. Комплексное влияние различных факторов....................80
3.8. Выводы....................................................83
ГЛАВА 4. СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ЖРД...........................................84
2
4.1 Определение потерь удельного импульса тяги вследствие
СТОХАСТИЧНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПО ФОРСУНКАМ
СМЕСИТЕЛЬНОЙ ГОЛОВКИ КАМЕРЫ....................................84
4.1.1 Термодинамический расчет с учетом случайного разброса коэффициента избытка окислителя в камере ЖРД..................87
4.2 Внутренняя стохас гичность расчетной модели при моделировании
СМЕСИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ..............90
4.3 Математическое моделирование процессов горения кислороднометанового топлива при соосно-струйной подаче в камеру сгорания ЖРД............................................................94
4.4 Стохастический расчет распределения расхода компонента по
каналам тракта охлаждения камеры ЖРД..........................105
4.5. Выводы...................................................111
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.............................................112
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................114
ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................127
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Проектирование систем смесеобразования и охлаждения камер сгорания двигательных установок и энергетических систем является ответственной задачей, при выполнении которой важную роль имеет оптимизация гидравлических характеристик смесительных элементов для обеспечения расчетного распределения соотношения компонентов и расходонапряженности. в поперечном сечении камеры сгорания. Смесительная головка и тракт охлаждения одной из самых теплонапряженных энергетических установок — жидкостного ракетного двигателя представляют собой набор большого количества однотипных элементов - форсунок и охлаждающих каналов'. Коэффициенты- расхода и гидравлического сопротивления таких элементов вследствие неизбежных технологических погрешностей их изготовления имеют случайные отклонения от номинальных значений. Допустимый диапазон отклонений, который отмечается- в проектной: документации, может составлять от десятых до нескольких процентов. В ряде случаев выявленные проблемы при экспериментальной доводке камеры двигателя приводят к необходимости снижения допустимого разброса гидравлических характеристик форсунок за счет усложнения^ технологии их изготовления, повышения количества отбракованных форсунок, т.е. существенного удорожания и больших сроков выполнения проекта. Неравномерность распределения компонента по форсункам первого периферийного ряда смесительной головки, кислородно-водородного ЖРД, вызванная гидравлической разверкой предфорсуночного раздающего коллектора, достигает 11 %. Для подвода охладителя к рубашке камеры вследствие подобной конструкции подводящего коллектора на участке тракта охлаждения, примыкающем к коллектору, неравномерность распределения расходов по каналам составляет несколько десятков процентов. Имеются результаты экспериментальных исследовании для ряда двигателей, когда
неравномерность распределения расхода компонента топлива через периферийные форсунки может достигать 30 % и более.
Случайные флуктуации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения приводят к изменению характера распределения по ним компонентов топлива. Существующие в настоящее время расчетные алгоритмы, и инженерные методики определения гидравлической неравномерности основаны на детерминированных математических моделях, т.е. в предположении, что все однотипные форсунки имеют абсолютно идентичные гидравлические характеристики. Вследствие того, что ряд входных параметров при проектных расчетах являются, по сути, случайными величинами, то математическое моделирование и расчет необходимо вести в стохастической постановке. Это позволит не только более точно определить математические ожидания расчетных критериев, но и вычислять вероятность достижения того или иного результата. В контексте рассматриваемой в* диссертационной работе предметной области исследований это приведет к повышению надежности и энергетического совершенства камеры при обоснованном назначении допусков на гидравлические характеристики применяемых смесительных элементов.
Актуальность применения* рассматриваемых методов- в технике подтверждается созданием научного сообщества под названием Non-Deterministic Simulation for CFD based methodologies (NODESIM-CFD), проведением ряда конференций под эгидой AIAA и других организаций. Также показательно, что в состав этого сообщества входят такие гиганты машиностроения, как ОАО «11ПО Сатурн», «Airbus», «MAN», «DLR» и другие. Робастное проектирование позволяет снизить чувствительность функциональности изделия к разбросу случайных величин. При этом достигается:
- уменьшение зависимости от случайных параметров;
- увеличение допусков при производстве компонент;
- повышение надежности конструкции;
5
- учет разброса входных параметров.
Решение выше указанной задачи осуществлялось автором в рамках НИР ВГТУ № ГБ 2007.26 (Гос. регистр. 01.2.007 07564).
Основной целью диссертационной работы является исследование влияния случайных вариаций граничных условий на характеристики теплофизических процессов в камерах сгорания энергетических установок.
Исходя из поставленной цели работы и на основе анализа состояния вопроса были определены следующие задачи аналитического и расчетнотеоретического исследования:
создание методики недетерминированного моделирования теплофизических процессов в камере сгорания одной из самых теплонапряженных энергетических установок - жидкостного ракетного двигателя;
экспериментальные исследования процессов распределения компонентов топлива по форсункам систем смесеобразования камер сгорания;
расчетно-теоретическое обоснование вероятностного характера параметров неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки, определяющего значительную неоднородность распределения параметров тепломассопереноса в огневом* пространстве камеры, как следствие, неравномерность тепловых потоков в стенку камеры, для разработки методических основ тепловой защиты и внутреннего и наружного охлаждения в условиях случайных вариаций расходов через форсунки;
- расчет горения и определение характеристик диссоциированной газовой смеси продуктов сгорания с учетом стохастической гидравлической неравномерности распределения топлива по форсункам смесительной головки;
реализация методики расчета потерь полнота сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета с учетом стохастического характера распределения топлива по форсункам смесительной головки, уточнение моделей гидравлической неравномерности коллекторов
6
камеры и распределения расходов по каналам регенеративной системы охлаждения.
Методы исследований основаны на теории математического моделирования, теории вероятностей, теории искусственных нейронных сетей, численных методах в динамике жидкостей, теории горения в камере ЖРД, гидродинамике и тенлопереносе ньютоновских жидкостей.
Научная новизна работы.
1. Разработана методика расчета теплофизических параметров функционирования систем смесеобразования и охлаждения, учитывающая стохастические вариации гидравлических характеристик форсунок и каналов тракта охлаждения.
2. Предложены принципы создания стохастических математических моделей процессов распределения компонентов по форсункам систем смесеобразования как основных подготовительных процессов, определяющих характеристики многокомпонентных смесей химически реагирующих продуктов сгорания. Разработана стохастическая математическая модель распределения компонента по каналам регенеративной системы охлаждения для уточнения параметров теплового состояния конструкции:
3. Получена стохастическая математическая модель процесса горения при соосно-струйной подаче кислородно-метанового топлива в камере ЖРД, проведен расчет горения в камере-сгорания ЖРД в стохастической постановке с использованием метода Монте-Карло.
4. Разработана методика определения потерь полноты сгорания с использованием недетерминированного термодинамического расчета.
Достоверность результатов подтверждается применением в расчетных исследованиях фундаментальных законов гидродинамики и теплообмена, обобщением большого массива экспериментальных данных. Стохастические методы расчета применяются для решения задач тепломассообмена с использованием фундаментальных законов явлений переноса. Адекватность
7
математических моделей оценивалась сопоставлением с экспериментом по общепринятым методикам идентификации расчетных результатов.
Практическая значимость работы.
1. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения компонента по каналам рубашки охлаждения необходимо для назначения необходимых расходов охладителя.
2. Прогнозирование уровня гидравлической неравномерности распределения, компонента по форсункам смесительной головки необходимо для определения тепловых потоков в стенку с учетом неравномерности распределения соотношения компонентов- и расходонапряженности, определяемых работой смесительной головки.
3. Моделирование процесса горения; необходимо для- оптимизации гидравлических характеристик форсунок для повышения.полноты сгорания.
4. Разработанные алгоритмы стохастического моделирования позволяют' повысить, качество смесеобразования-и надежность наружного и внутреннего1 охлаждения камеры ЖРД.
Апробация работы. * Основные результаты диссертационного-исследования', докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: ■ Российской конференции «Компьютерные технологии^ автоматизированного проектирования; систем машиностроения и аэрокосмической техники» (Воронеж, 2007),.. Российской конференции, посвященной 105-летию со дня: рождения основателя- КБХА G.A.- Косберга (Воронеж, 2008), 49 научно-технической конференции профессорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2009), 50 юбилейной научно-технической конференции профессорско-
преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВГ10 «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2010), Российской научно-технической конференции «Ракетно-космическая.техника и технология 2010» (Воронеж, 2010), 51 научно-технической конференции
8
профсссорско-преподовательского состава, сотрудников, аспирантов, студентов ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2011), научной конференции «Талантливая молодежь Воронежской области» (Воронеж, 2011).
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы: - в ОАО «КБ химавтоматики» при разработке методики расчета раздающих коллекторов и расходной неравномерности, методов расчета гидравлических характеристик смесительных головок ЖРД;
в ФГУП «Турбонасос» при прогнозировании энергетических характеристик турбонасосных и насосных агрегатов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка литературы, включающего 117 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах, содержит 68 рисунков и 17 таблиц.
9
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ВЫЗВАННОЙ РАЗБРОСАМИ ХАРАКТЕРИСТИК АГРЕГАТОВ ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ- КАМЕРЫ ЖРД, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ВЕРОЯТНОСТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РЕШЕНИИ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Современное состояние* проблемы^ вызванной? разбросами характеристик агрегатов входящих в состав камеры ЖРД1
Разбросы характеристик агрегатов ЖРД оказываю влияние на работу двигательной установки, и приводят к отклонению параметров двигателя от расчетных. . На рисунке. 1.1 представлена, пневмогидравлическая схема двигателя ЖРД 1 и основные параметры-агрегатов этого двигателя на режиме [1]. Как видно^ из рисунка, значения основных параметров четырех камер сгорания имеют различия между собой, что свидетельствует о наличии разброса характеристик камер. Одним из факторов, влияющих на не равномерность рабочих процессов камер двигателя ЖРД1, является технологические разбросы вызванные изготовлением и монтажом агрегатов..
Камера - один из. важнейших агрегатов жидкостного ракетного двигателя (ЖРД),. характеристики которой во многом определяют основные параметры ЖРД - тягу, удельный импульс. Сложность, создания камеры с совершенным техническими характеристиками (высоким, удельным импульсом, малой массой,, габаритами и др.) связана с исключительно напряженным/рабочим процессом в камере [2]. На работу ЖРД большое влияние оказывает распыл компонентов топлива, так как от качества смесеобразования и распыла зависят объем камеры сгорания, ее удельный вес, экономичность, устойчивость и надежность работы.
В камере ЖРД происходит комплекс взаимосвязанных физикохимических процессов преобразования компонентов топлива в продукты сгорания. Известно, что параметры смесительной головки и камеры сгорания
10
[лч.оі МП*
І 7-2727 К 024,93 гг/с
мш
«4.2 к
Сг42Л$ші(с
Ь- 34*3 МШ
Г-110,1 к
(НІИвЛ
/**51.50 МПі 7-329.3 К 01.12 кл*
ІАГ»0.22 МШ
[017.20 МШ Г=639* К 1063.67 «г/с
«7.2СМШ| Г-639.5 к 015.73 *гч
«ІД* МГЦ
Г-293.3 1С
»-4.44 МВТ
»Н>.*29
»-1.938
.гІ^0.39МПі '%
4 і п
Л/*-12.36 Мій ЛЛ*Л3.8 К 05.96 ип'с ОЗ.ОІ МВт
«0.14 МШ 7-527.0 К Сі-5.96 «г/с
/*-і7^0Йі* І 7*639.5 К 0-16,02 »г.сс
!/'-15.І9 МШ І **69.33 іН І/43197,4 ч’с !АГ »2.47*
«>;- 77.60 ,
'^•62,4 7 МВтбм
!^С.т
/*■20.25 МІЦ Г—527.1 К 0193 кґ/с
1_________ />-20.13 МШ
АР-иоМПП Г-513.9К
і '05.58 «т*
Д/М.І5МШ )
ЛЛ-І^МПл
^/*-*39.5 К ! 015.73 *тк
«8.03 МПа Г-639Д К 05.98 кі.’с
/*»18.14 МШ 7-555,0 К 05.93 игіс
Д/^2,09 МШ
«Д2МПі
Д/^-2.І0МПл
«2.49 МПі /•-293.3 К 105.95 жґс
[І ІДУ-12.35 МШ Р і Д/Г=220.6К 10-5.98 кг/с ч ;^2.81 МВт
^«6.04 МПі ;л» 70.47 *н 03207.5 к<о Х.-І539 1/7-77 48 37 ИГОД>МВі/Ц ► «8»(И8У2
/»-16.05 МПі Л-70.42 »ІЗ >■3205.3 ич А* «2.527 #77.51 <1-60.05 МВт/М *>ДО2
■ -
■ ,4-6>.X» гН ■ /
■ А' -2.40)
ВИ#??.)?
ВИ *-5160 МВт*. /6 іуЮ.892
Л*-2,ІЗ МПі дг-ло к 05.96 жгТе 00.48 МВт
Д/'ЧДОМП» Д7-233.8К (3-5.93 кт/с 03.00 МВт
Рис. 1.1. ПГС двигателя ЖРД 1 и основные параметры двигателя на режиме
- Київ+380960830922