Исследование эффективности комбинированной системы охлаждения сверхзвуковой камеры сгорания на водородном горючем

Язык труда и переводы:
УДК:
621.452
Дата публикации:
30 декабря 2021, 19:01
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Аннотация:
В работе представлены результаты расчетных оценок эффективности комбинированной системы охлаждения модельного осесимметричного канала, имитирующего участок сверхзвуковой камеры сгорания на водородном горючем. Комбинированные системы охлаждения отличается от классической регенеративной системы охлаждения наличием тепловой защиты огневой стенки из высокотемпературного композиционного материала. Показано, что применение комбинированной системы охлаждения дает возможность обеспечить работоспособность сверхзвуковой камеры сгорания на оптимальных по коэффициенту избытка воздуха режимах при сохранении высокого уровня удельных тяговых характеристик двигателя.
Ключевые слова:
сверхзвуковая камера сгорания, водород, комбинированная система охлаждения, высокотемпературный композиционный материал
Основной текст труда

Работы, связанные с исследованиями и созданием сверхзвуковых камер сгорания (СКС) для водородного воздушно-реактивного двигателя, который является частью комбинированной силовой установки перспективного воздушно-космического самолета для суборбитальных и трансконтинентальных перевозок грузов и пассажиров, на сегодняшний момент являются востребованными и перспективными.

Разработка СКС является наукоемкой проблемой, которая требует решения ряда сопутствующих задач как в части организации эффективного рабочего процесса, так и в части обеспечения длительной работоспособности двигателя при высоких термических нагрузках и ограниченности хладоресурса горючего. Для увеличения работоспособности предлагается использование комбинированной системы охлаждения, отличающейся от классической регенеративной системы охлаждения наличием тепловой защиты огневой стенки из высокотемпературного композиционного материала на основе карбида кремния.

Для демонстрации эффективности применения предложенной системы охлаждения в работе рассмотрен модельный осесимметричный канал, имитирующий участок СКС на водородном горючем, для которого решена сопряженная тепловая задача в стационарной постановке по методикам, изложенным в [1–3].

В качестве исходных данных задавались следующие параметры: полная энтальпия воздуха H*air = 2415 кДж/кг; энтальпия водорода на входе в систему охлаждения Hгор = –3911 кДж/кг; массовый расход воздуха Gair = 1,5 кг; давление в СКС рк = 3·105 Па. Температура торможения продуктов сгорания в расчете определялась исходя из моделирования полноты сгорания водорода \eta в различных сечениях рассматриваемого канала [4]. Оценка эффективности комбинированной системы охлаждения проведена при вариации коэффициента избытка воздуха α в диапазоне от 0,6 до 2,5.

Проведенное математическое моделирование позволило спрогнозировать тепловое состояние стенок осесимметричного канала, имитирующего участок сверхзвуковой камеры сгорания на водородном горючем. Выявлено, что применение классического регенеративного охлаждения водородом обеспечивает возможность работы СКС на режимах с коэффициентом избытка воздуха α < 1, которые не являются оптимальными с точки зрения удельных тяговых характеристик. Использование предложенной комбинированной системы охлаждения позволяет расширить допустимый диапазон работы двигателя до α = 2. Показано, что при толщине ВКМ δ = 5 мм максимальная температура металлической стенки уменьшается на 22 % по сравнению со случаем классического регенеративного охлаждения. Полученные данные могут быть использованы на этапе предварительного проектирования двигателей перспективных летательных аппаратов в части обеспечения допустимого теплового состояния элементов конструкции сверхзвуковой камеры сгорания.

Грант
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-38-90077
Литература
  1. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей: в 2 кн. Кн. 2 / под ред. Кудрявцева В.М. М.: Высш. шк., 1993. 368 с.
  2. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования. Под ред. Д.А. Ягодникова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005. 488 с.
  3. Александров В.Ю., Арефьев К.Ю., Воронецкий А.В. Исследование эффективности регенеративной системы охлаждения сверхзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей на углеводородном горючем // Тепловые процессы в технике. 2014. № 11, т. 6. С. 489–495.
  4. Аннушкин Ю.М. Основные закономерности выгорания турбулентных струй водорода в воздушных каналах // ФГВ. 1981. № 4. С. 59–71.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.