1311

УДК 533.6.071.1

А.Н. Ефремов

Научно-производственное объединение «Искра» (г. Пермь)

Г.Н. Соколов, И.Н. Лапин, К.А. Шилов

Пермский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ НАСАДКЕ СОПЛОВОГО БЛОКА

Представлены результаты экспериментального исследования силы газодинамического трения и распределения давления по цилиндрическому насадку при изменении его относительной длины, проведенного на воздушной установке. Были рассмотрены различные длины насадков. Представлены результаты эксперимента. Приведены результаты решения математического моделирования процесса.

Ключевые слова: сопло, газодинамическое трение, цилиндрический насадок, сила трения, экспериментальное исследование.

При воздействии двухфазных продуктов сгорания заряда ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) на цилиндрический насадок, являющийся элементом конструкции сопла большой степени расширения изменяемой геометрии, возникает газодинамическая сила Fгд, которая состоит из двух составляющих: силы газодинамического трения Fтр и силы за счет передачи части импульса конденсированных частиц Al2O3 при их взаимодействии со стенкой цилиндра Fконд.

Расчет обеих этих составляющих представляет значительные трудности; в особенности это касается силы от конденсированных частиц. В связи с этим актуальной является задача экспериментального исследования газодинамической силы с целью обоснования и, при необходимости, уточнения существующих приближенных методик ее расчета. Экспериментальное исследование суммарной силы Fгд возможно только в условиях воздействия на цилиндрический насадок реальных продуктов сгорания смесевого твердого топлива.

41

Что касается силы Fтр, то ее исследование и уточнение методики расчета возможно при испытаниях моделей на воздухе с последующим пересчетом на реальный газ.

В настоящей статье представлены результаты экспериментального исследования силы газодинамического трения и распределения давления по цилиндрическому насадку при изменении его относительной длины, проведенного на воздушной установке [1], имеющейся на кафедре ракетно-космической техники и энергетических установок Пермского государственного технического университета (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная установка для воздушных испытаний

Одним из важнейших условий успешного проведения запланированных экспериментальных исследований является создание комплекса стендового испытательного оборудования, позволяющего провести необходимый объем измерений как газодинамической силы на цилиндрическом насадке соплового блока, так и распределения давления по его длине и периметру с приемлемой точностью.

Предварительные расчеты показали, что для обеспечения безотрывного режима истечения из сопла со степенью расширения da = da / dкр = 2,5 при dкр=36 мм необходим расход воздуха m& ≈ 6 кг/с.

Заданная величина расхода воздуха (~6 кг/с) обеспечивается воздушной рампой, состоящей из 6 баллонов, из которых 2 ёмкостью 320 л и 4 ёмкостью 400 л каждый.

На стенде отсутствует система регулирования расхода воздуха, величина секундного расхода воздуха в процессе испытаний остаётся постоянной.

42

Для наполнения сжатым воздухом баллонной рампы используется компрессорная станция УКС-400В-157.

Стенд предназначен для испытания агрегатов двигателей по схеме с присоединительным воздухопроводом, обеспечивающим работу

–баллонную рампу, предназначенную для накапливания и временного хранения запаса воздуха, необходимого для испытания и состоящего из 6 баллонов высокого давления (4 баллона объёмом по 400 л каждый и 2 баллона объёмом по 320 л каждый). Воздух в рампу поступает от компрессора УКС-400В-157 через трубопроводы;

–систему воздушного обеспечения, служащую для подачи воздуха в сопловой блок с расходом до 6 кг/с. Полученные расчётным путём диаметры трубопроводов обеспечивают скорость потока воздуха не более 50 м/с;

–систему управления, осуществляющую срабатывание элементов автоматики стенда и установки в последовательности, определённой циклограммой испытания;

–систему измерения и регистрации параметров, предназначенную для измерения и непрерывной записи параметров двигателя, стендовых систем. Регистрация показаний датчиков производится на измерительном вычислительном комплексе «Мера». В эксперименте использовались следующие типы датчиков: тензометрические датчики давления и усилия (ЛХ-412, ЛХ-415, ЛХ-143); датчики температуры (термопары); датчики перепада давления системы измерения расхода воздуха (ДДФА-0÷5);

–систему отвода отработанных газов, обеспечивающую вывод воздуха из испытательного помещения.

Выхлопная труба обеспечивают отвод воздуха в безопасное место и рассеивание его в атмосфере. Газоход изготовлен из стальной

43

трубы 1020×10 мм и имеет геометрическую конфигурацию, обеспечивающую минимальные местные сопротивления.

В эксперименте были исследовано влияние различной длины насадков на образование силы газодинамического трения Fтр. На рис. 2 представлены два насадка различной длины. Трубки служат в качестве проводящих каналов для датчиков давления, для измерения параметров в различных сечениях насадка.

в которых измеряется давление по длине насадка (P1, P3, P4, P5, P6, P7).

Рис. 3. Насадок длиной L = 115 мм, выдвижение 58 мм

44

Длина участка выдвижения, который непосредственно взаимодействует с потоком газа, влияет на формирование газодинамической силы трения. Проведен ряд экспериментов с различными длинами выдвижения, которые составляли 19, 36, 58 мм. Получены экспериментальные данные по распределению давления и величине газодинамической силы на цилиндрическом насадке в зависимости от степени его выдвижения в поток. На рис. 4 приведены графики давлений в различных сечениях на одном насадке с выдвижением 58 мм.

a

б

Рис. 4. График изменения давления: а – в сечении P1; б – в сечении P4

45

В таблице приведены результаты экспериментальных исследований зависимости длины выдвигаемого насадка на силу трения.

Экспериментальные данные

На рис. 5 приведен график зависимости газодинамической силы от длины выдвигаемого насадка, полученный на измерительном комплексе «МЕРА» (график представлен для опыта № 2).

Рис. 5. Результат эксперимента

По полученным данным построен экспериментальный график зависимости газодинамической силы, оказываемой на выдвигаемый насадок (рис.6).

46

Из вышеизложенного следует:

–сконструирован, изготовлен и апробирован стенд для проведения воздушных испытаний.

Для исследования влияния газодинамической силы на выдвигаемые насадки:

–разработана программа проведения испытаний на воздухе и проведен ряд мероприятий для подготовки к огневым испытаниям;

–разработана программа математического вычисления газодинамического усилия на стенки выдвигаемого насадка;

–проведен ряд испытаний на воздухе и достигнуты удовлетворительные результаты сходимости расчетных значений с экспериментальными данными. Сходимость составила 18–20 %.

Библиографический список

1. Экспериментальное исследование газодинамической силы на цилиндрическом насадке соплового блока: отчет о НИР / НПО «Искра»; рук. Г.Н. Соколов, исполн. А.К. Арасланов. − Пермь, 2008. – 45 с.

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

3.Шишков А.А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей: Инженерные методы расчета. – М.: Машиностроение, 1968. – 148 с.

Получено 6.12.2010

49

УДК 621.454.3

В.М. Осокин, Е.Н. Петрова, А.Ф. Сальников

Пермский государственный технический университет

ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВОГО ОБЛАКА В СВОБОДНОЙ СТРУЕ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Высокотемпературные частицы продуктов сгорания смесевого твердого топлива могут привести к отказу исполнительных органов транспортного летательного аппарата, попавшего в след струи ракетного двигателя. Опираясь на метод крупных частиц при решении газодинамических задач по формированию газового потока, разработан универсальный алгоритм, базирующийся на двухмерной модели течения многофазной газовой смеси, который позволяет моделировать условия распределения к-фазы в следе струи ракетного двигателя.

Ключевые слова: метод крупных частиц, уравнения Навье–Стокса, газодинамическая задача, к-фаза, осесимметричная модель.

В следе ракетной струи РДТТ, запущенной с носителя, формируется значительное количество жидких и твердых частиц. Высокотемпературные частицы продуктов сгорания твердого топлива в выхлопной струе РДТТ могут привести к отказу исполнительных органов транспортного летательного аппарата (ЛА), оказать негативное последствие на его конструкцию и работу двигательной установки.

Данные задачи на сегодняшний день практически не решены, следовательно, их решение является актуальным. Кроме того, не решены задачи влияния условий входа к-фазы продуктов сгорания в критическом сечении сопла на их распределение по сверхзвуковой части сопла и в свободной струе за двигателем.

Математическая постановка

Опираясь на метод крупных частиц [1] при решении газодинамических задач по формированию газового потока, разработан алгоритм, базирующийся на двухмерной модели течения многофазной газовой смеси [2, 3] в сверхзвуковом диффузоре и в следе свободной струи сопла. Разработанный алгоритм универсален и позволяет включать различные модификации с учетом реальных физических процессов (коагуляция, дробление, прилипание к стенке сопла), которые существенно

50