Estimation of the efficiency of gas dynamic protection of the SPRM casing body with an internal-external burning combined charge.pdf Вкладные многошашечные заряды нашли широкое применение в твердотоп-ливных ракетных двигателях (РДТТ) различного класса благодаря своей простоте,технологическим и эксплуатационным параметрам [1, 2]. Одним из недостатковвкладных зарядов является оголенность внутренней поверхности корпуса двига-теля для теплового воздействия продуктов сгорания твердого ракетного топлива.Это существенно ограничивает прямое использование перспективных топливныхсоставов с высокими температурами горения. Одним из способов снижения теп-ловых нагрузок на корпус является конструкция с комбинированной головнойшашкой, наружная часть которой состоит из слоя твердого ракетного топлива снизкой температурой горения (рис. 1).Низкотемпера-турное ТРТВысокотемпера-турное ТРТДиафрагмыРис. 1. Схема РДТТ с вкладным комбинированным зарядомПодобная конструкция заряда обеспечивает структуру течения, при которойнизкотемпературные продукты сгорания формируют газовую завесу, ограждаю-щую стенку камеры сгорания от теплового воздействия продуктов сгорания топ-ливного состава с существенно более высокой температурой горения и, соответ-ственно, высокой температурой потока. Для более эффективной организации га-зовой завесы предполагается профилирование раскрепляющих межшашечныхдиафрагм с целью направления потока низкотемпературных продуктов сгоранияпод некоторым углом к корпусу двигателя.Для оценки эффективности данного способа тепловой защиты корпуса прове-дено математическое моделирование внутрикамерных процессов в модельнымРДТТ с вкладным комбинированным зарядом. При моделировании учитывалисьосновные процессы, сопровождающие течение многокомпонентной смеси про-дуктов сгорания по тракту двигателя: нестационарное и эрозионное горение топ-лива, трение и тепломассообмен с элементами конструкции [3].В процессе численного моделирования анализировались стационарные рас-пределения газодинамических величин для различных геометрических парамет-ров сопловой топливной шашки, соответствующих различной степени выгораниязаряда. Использовались модельные топливные композиции со следующими зна-чениями основных параметров продуктов сгорания: состав для «горячего газа»имел температуру горения Tp = 3900 К, газовую постоянную R = 220 Дж/(кг·К),показатель адиабаты k = 1,122. Топливо «холодного газа» характеризовалось па-раметрами Tp = К 2700 К, R = 330 Дж/(кг·К), k = 1,226.Рис. 2 иллюстрирует процесс формирования низкотемпературной зоны на вхо-де в сопловую шашку для двух моментов выгорания заряда - в начале работы ипри уменьшении в результате выгорания толщины стенки заряда на 80 %. Справауказаны цветовые соответствия областей значениям температуры потока T. Мас-совая доля продуктов сгорания высокотемпературного топлива в общей массепродуктов сгорания полностью соответствует температуре потока, приведеннойна рис. 2.0 0,05 0,10 x L /0 0,05 0,10 x L /аб100 м/сT ≤ 2700 КT ≈ 2900 КT ≈ 3300 КT ≈ 3700 КT ≈ 3900 К25 м/сРис. 2. Формирования низкотемпературной зонына входе в сопловую шашкуУвеличение проходных сечений центрального канала и кольцевой области врезультате выгорания заряда снижает уровень скоростей потока, и, соответствен-но уменьшает эрозионную составляющую скорости горения топлива и перепаддавления (на 13 %) вдоль оси двигателя.Уменьшение скорости оттока продуктов сгорания от поверхности топлива засчет снижения скорости горения для геометрии частично прогоревшего заряда(рис. 2, b) приводит к тому, что высокотемпературная зона расширяется, а ее гра-ница становится практически параллельной поверхности топлива на расстоянияхx/L > 0,1 (L - длина сопловой шашки). Характер поведения линии границы низко-температурной газовой смеси (T ≈ 3300 K) практически не изменился - течениеопределяется профилем межшашечных раскрепляющих диафрагм.Полученные в расчетах значения радиальной составляющей скорости потока вслое, непосредственно примыкающем к поверхности горящего топлива в областикольцевого зазора и для обоих вариантов составили в (0,9.1,3) м/с; средняя величи-на радиальной скорости по сечению находится в пределах (2,5.3,6) м/с и определя-ет конвективное перемешивание разнотемпературных потоков. Начальный участоккольцевого зазора с существенно неравномерными по радиусу профилями газоди-намических параметров составляет ≈5 % от длины сопловой шашки (x/L ≈ 0,05).Результаты расчета течения в области соплового объема представлены нарис. 3. Для начальной геометрии заряда (нулевое выгорание) отмечается обшир-ная зона рециркуляционного течения (рис. 3, a), обусловленная наличием относи-тельно широкого торца топливной шашки.аб200 м/схх200 м/с50 м/с50 м/сРис. 3. Поле течения в области заднего торца соплового полузаряда(цветовая шкала соответствует рис. 2)Наличие конфузора предсоплового объема оказывает существенное влияниена структуру потока и параметры истечения продуктов сгорания из области заря-да. Непосредственно в начале конического сужения торможение потока образуетзону повышенного давления, которая разворачивает вектор скорости в сторонукритического сечения сопла (рис. 3, а).В области повышенного давления конического участка по контуру камеры идалее к соплу «холодный» газовый поток образует защитный слой из низкотемпе-ратурных продуктов сгорания. Существенное влияние на структуру течения такжеоказывает зона рециркуляционного движения в окрестности торца топливнойшашки, образующаяся вследствие обтекания его двумя высокоскоростными пото-ками продуктов сгорания из канала и кольцевого зазора. Скачок площади проход-ного сечения на торце обуславливает формирование зоны разрежения, котораяоказывает собственное влияние на вектор скорости газа.Анализ результатов численного моделирования показывает эффективность ис-пользования комбинированных вкладных зарядов, когда тепловая защита корпусаот теплового воздействия перспективных топливных составов с высокими темпера-турами горения частично обеспечивается газовой завесой продуктов сгорания низ-котемпературного состава. Оценка тепловых нагрузок показывают возможность ре-ального снижения теплового потока в стенку камеры сгорания для комбинирован-ного вкладного заряда на 65 % в начальные моменты времени работы двигателя идо 35 % ко времени завершения горения низкотемпературного состава.

Скачать электронную версию публикации