Введение к работе
Актуальность работы:
К летательным аппаратам (ЛА) ракетно-космических систем традиционно предъявляются особо высокие требования по удельным энергетическим и эксплуатационным характеристикам. Учет особенностей течения с теплообменом, при разработке методик расчета представляет важную научную и инженерную задачу, входящую в число определяющих при разработке новых образцов ракетно-космической техники. Это связано с увеличением энерговооруженности аппаратов и энергонапряженности протекаемых процессов, а так же с повышенными требованиями к надежности и качеству терморегулирования энергетических систем.
Основным объектом исследования полостей вращения энергетических установок ЛА являются конструктивные элементы турбонасосных агрегатов, компрессоров и газовых турбин: полость вращения между ротором и стенкой газовой турбины, подводящее устройство турбин, боковые полости вращения между рабочим колесом и стенкой корпуса лопаточного нагнетателя, полости гидродинамических уплотнений и т.п.
Основными эксплуатационными факторами, определяемыми течением в полостях вращения агрегатов энергетических установок являются: величина утечек (расходный к.п.д.), распределение давления по боковым поверхностям (основной источник осевой силы), теплоотдача в стенку от закрученных потоков перегретых рабочих тел.
Возможны режимы эксплуатации в узлах уплотнений, особенно агрегатов подачи двигателей, в условиях космического вакуума, на которых даже незначительный подогрев рабочего тела может вызвать вскипание компонента и потерю герметичности. С другой стороны недостаточный подогрев в проточной части ТНА некоторых видов компонентов топлива приводит к нерасчетно высокой вязкости и снижению общего КПД агрегата. Нерасчетная теплопередача от турбины в стенку и к узлам уплотнений приводит к нарушению теплового режима, вследствие чего возможно термическое разрушение концевых контактных уплотнений: манжет, торцевых уплотнений и т.п. Видно, что в этих случаях корректное прогнозирование величины теплопередачи может существенно изменять энергетические характеристики и повлиять на работоспособность агрегата в целом.
Большая часть существующих на сегодняшний день методик расчета вращательных течений с теплоотдачей носит критериально-эмпирический характер и основана на обработке экспериментальных результатов, что не всегда обеспечивает требуемую точность расчета гидродинамических и тепловых характеристик. Необходимость экспериментально-теоретического уточнения расчетных методик течения с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок летательных аппаратов является актуальной задачей, которая позволит существенно снизить материальные и временные затраты на эскизное проектирование, испытания и доводку современных образцов двигателей и энергосиловых установок летательных аппаратов.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование течения с теплоотдачей в полостях вращения энергетических установок ЛА.
Разработка математической модели течения с теплоотдачей в стенку, обеспечивающей достоверное определение гидродинамических и тепловых параметров.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи:
- провести преобразования уравнения энергии в границах толщины
температурного пространственного пограничного слоя (ППС) к виду,
позволяющему вести интегрировании в граничных условиях полостей вращения;
провести преобразования уравнений импульсов динамического ППС для основных случаев вращательных течений;
получить аналитические выражения закона теплообмена для турбулентных профилей распределения скорости с учетом особенности течения в полостях вращения;
определить локальный коэффициент теплоотдачи для турбулентных профилей распределения скорости в ядре потока с теплоотдачей в стенку;
провести теоретическое и экспериментальное исследование течения с теплоотдачей в полостях вращения;
по результатам исследований разработать методику и алгоритм расчета параметров течения с теплоотдачей в стенку в полостях вращения энергетических установок ЛА.
Научная новизна.
Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований являются новыми и заключаются в следующем:
проведены преобразования уравнения энергии для трехмерного температурного пограничного слоя, получено интегральное соотношение общего вида позволяющее вести интегрирование по поверхности любого вида и произвольном законе распределения скорости в ядре потока;
определены выражения характерных толщин динамического ППС для турбулентных профилей и толщин потери энергии температурного ППС для прямолинейного равномерного и вращательного течений по законам «свободного вихря» и «твердого тела»;
получены аналитические выражения закона теплообмена и интегральные соотношения прямолинейного и вращательного течений турбулентных профилей;
с учетом закона теплообмена получены выражения для оценки локального коэффициента теплоотдачи;
разработан алгоритм расчета параметров течения с теплоотдачей в полостях вращения с учетом полученных выражений для локальных коэффициентов теплоотдачи и дифференциальных уравнений движения;
Практическая ценность заключается в возможности определения параметров течения с теплоотдачей в полостях энергетических установок ЛА: распределения скоростей в ядре потока, напряжений трения, изменения статического давления, локального коэффициента теплоотдачи, тепловых потоков, температур рабочего тела, охлаждающей жидкости и стенок поверхностей теплообмена. Разработанная методика позволяет проводить оптимизацию в области возможных вариаций конструктивных и режимных параметров узлов и агрегатов энергетических установок летательных аппаратов, по основным конструкторско-эксплуатационным
параметрам, что существенно повышает достоверность силового и теплового анализа и снижает материально-временные затраты на этапе эскизного проектирования и доводки новых образцов.
Разработан и изготовлен экспериментальный стенд со сменными экспериментальными установками исследования течения с теплоотдачей в полостях вращения;
На защиту выносятся:
интегральное соотношение уравнения энергии для прямолинейного и вращательного течений;
аналитические выражения закона теплообмена турбулентного течения, выражения для локальных коэффициентов теплоотдачи полученных из интегральных соотношений уравнения энергии прямолинейного и вращательного течений;
- методика и алгоритм расчета параметров течения с теплоотдачей в полостях
вращения;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований течения с
теплоотдачей в стенку в полостях вращения.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, методика и программа расчета параметров течения с теплоотдачей в стенку использованы в разработках ФГУП «Красноярский машиностроительный завод» при выполнении опытно-конструкторских работ и в учебном процессе Сибирского государственного аэрокосмического университета им. ак. М.Ф. Решетнева.
Работа выполнялась на кафедре двигателей летательных аппаратов СибГАУ в соответствии с тематикой НИР, являющейся составной частью ряда научно-исследовательских работ, поддерживалась грантами Красноярского краевого фонда науки «конкурс индивидуальных грантов молодых ученых» 16G115-2006, Российским фондом фундаментальных исследований «Гидродинамика трехмерного пространственного пограничного слоя в техническом приложении центробежных гидромашин» проект 06-2857/22, «Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков в элементах энергосиловых установок летательных аппаратов» (код 1.2.06) 2006-2007 г. - работа по тематическому плану фундаментальных исследований Федерального агентства по образованию РФ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на следующих конференциях:
- Международная научная конференция «Решетневские чтения», Красноярск,
СибГАУ, 2003, 2004, 2005, 2006;
Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные материалы, конструкции, экономика», Красноярск, ГУЦМиЗ, 2005, 2006;
- Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии.
Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2003, 2006, 2007;
- Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов, молодых
ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие», Красноярск, КРО НС
«Интеграция», 2006;
Всероссийская научная конференция «Малютовские чтения», Уфа, УГАТУ, 2007;
Международная молодежная научно-практическая конференция «Человек и космос», Днепропетровск, НЦАОМУ, 2004, 2005, 2007;
- XXXVI Уральский семинар «Механика и процессы управления»,
Екатеринбург, УрО РАН, 2006;
Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2006, 2007;
- Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов,
молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», Владивосток, 2007.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 5 статей. Программное обеспечение зарегистрировано в Российском агентстве по патентам и товарным знакам (Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2007614571 от 30.10.2007 и №2008610193 от 09.01.2008). Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах составляет не менее 60%.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Объем работы 197 стр., в том числе 61 рисунок и 4 таблицы. Список используемой литературы включает 89 наименований.
