Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Тепловые двигатели

Диссертационная работа:

Бершадский Виталий Александрович. Испытания с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов топлива при отработке ракетных двигательных установок : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.07.05 Сергиев Посад, 2001 256 с. РГБ ОД, 71:06-5/473

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

Глава 1. Методические аспекты проведения испытаний двигательных уста
новок на криогенных компонентах топлива 12

1.1. Особенности испытаний с имитацией эксплуатационных условий на эта
пе автономной отработки ДУ 14

  1. Особенности испытаний с имитацией эксплуатационных условий на этапе комплексной отработки ДУ 30

  2. Постановка задач исследований 38

Глава 2. Имитация интенсивности тепло-массообмена при отработке внутри-
баковых процессов 41

2.1. Определение интенсивности тепло-массообмена в топливном баке 41

  1. Экспериментальные установки и средства измерений 41

  2. Интенсивность массообмена при вынужденном движении газа через

топливо 48

  1. Влияние направления ввода газа наддува и скорости подачи его в газовый объем на энергораспределение в баке 61

  2. Влияние демпфирующих перегородок на прогрев топлива в баке 68

2.1.5. Интенсивность тепло-массообмена при низкочастотных колебаниях
свободной поверхности топлива в баке 73

2.2. Методы расчета параметров состояния топлива в баке 89

  1. Определение параметров состояния топлива при подаче газа наддува в свободный объем бака 89

  2. Определение параметров состояния топлива при движении газа наддува через жидкость 97

2.3. Рекомендации по результатам исследований и их применение 101

2.3.1. Определение характеристик систем наддува при отработке внутрибако-

вых процессов 101

2.3.2.Совершенствование внутрибаковых процессов : 107

Заключение по главе 2 112

Глава 3. Имитация газосодержания и паросодержания в компонентах топлива
при стендовой отработке двигателей 119

3.1. Методы термодинамического расчета параметров состояния насыщенно
го топлива на входе в двигатель 119

  1. Определение параметров состояния топлива при газовыделении 119

  2. Определение параметров состояния топлива при парообразовании ,.133

  1. Параметрическая идентификация двухфазного состояния топлива в стендовой системе питания 137

  2. Экспериментальное изучение процессов при образовании двухфазного состояния криогенного топлива 142

  1. Особенности проведения исследований 142

  2. Результаты исследований газовыделения и парообразования в баке и магистрали питания 150

  3. Результаты исследований смешения газа и топлива в потоке 161

3.4. Определение характеристик систем топливоподачи при отработке двига
телей 164

  1. Определение характеристик насосов двигателей в замкнутом контуре подачи топлива с регулированием паросодержания 168

  2. Оценка влияния состава двухфазного потока на работоспособность насосов двигателей 172

  3. Особенности проведения испытаний с образованием двухфазного потока при смешении неконденсируемого газа и топлива 182

Заключение по главе 3 185

Глава 4. Имитация режимов совместного функционирования систем питания
при комплексной отработке двигательных установок 190

  1. Стратегия безопасного проведения испытаний 190

  2. Оценка риска испытаний и его уменьшение 194

  3. Предупреждение возникновения аварийной ситуации 204

  4. Распознавание и парирование нештатных или аварийных ситуаций... 217

4.5. Уменьшение последствий аварии 229

Заключение по главе 4 230

Основные результаты и выводы 233

Сокращения и условные обозначения 236

Литература 241

Введение к работе:

Развитие ракетной техники и практическое применение транспортных космических систем связано с использованием двигательных установок (ДУ), работающих на криогенных компонентах топлива. Технические возможности двигательных установок, а также их количественные и качественные характеристики могут быть определены лишь в результате испытаний при наземной и летной экспериментальной отработке. Испытания при наземной отработке не обеспечивают в полной мере воспроизведения полетных условий функционирования ДУ. Испытания при летной отработке с экономической и технической точек зрения не позволяют получить требуемый объем информации о надежности и безопасности функционирования агрегатов и систем ДУ. Одним из путей эффективного решения проблемы экспериментального определения технических характеристик и подтверждения безотказного функционирования ДУ является проведение автономной и комплексной отработки на созданных для этого специальных стендах, оснащенных необходимыми средствами измерений и обеспечивающих имитацию предстартовых и полетных условий эксплуатации ДУ. Опыт создания ряда ракетных транспортно-космических систем (Н1-ЛЗ и "Энергия-Буран" в России, "Сатурн-Ашюлон" и "Спейс-Шатлл" в США) подтверждает целесообразность указанного подхода.

Актуальность темы диссертации связана с решением научно-технической проблемы эффективного проведения экспериментальной отработки ракетных двигательных установок, работающих на криогенных компонентах топлива, в результате создания методологии стендовых испытаний с имитацией эксплуатационных условий функционирования систем питания.

Термодинамические процессы в системах питания ДУ обуславливают прогрев криогенных ракетных топлив и загрязнение их растворенным газом, возникновение термомеханических нагрузок на элементы конструкции. Это приводит к появлению насыщенного и двухфазного состояния компонентов топлива на входе в насосы двигателей, ухудшению энергомассовых характеристик или нарушению нормального функционирования ДУ. Термомеханические

нагрузки являются потенциальными источниками разгерметизации систем питания и возникновения аварии. Обеспечение безотказного функционирования ДУ в условиях эксплуатации требует создания систем питания с высокими гидродинамическими характеристиками и повышенной стойкостью к термомеханическим нагрузкам, применения качественной теплоизоляции, всесторонней проверки в наземных условиях влияния теплофизических характеристик компонентов топлива и явлений, сопутствующих термодинамическим процессам, на энергомассовые характеристики и надежность функционирования ДУ.

В период создания кислородно-керосиновых и кислородно-водородных ДУ ракетных блоков организациями РКК "Энергия" им. СП. Королева, КБХМ, ЦНИИМАШ (г.Королев, Московская обл.), КБ "Энергомаш" ( г.Химки, Московская обл.), КБХА (г.Воронеж) , КБ "Салют", ИЦ им. М.В. Келдыша (г.Москва), РНЦПХ (г.Санкт Петербург), НИИХМ (г.Сергиев Посад, Московская обл.), НПО "Криогенмаш" (г.Балашиха, Московская обл.) при участии автора диссертации разработаны основы методологии испытаний систем питания ДУ на криогенных компонентах топлива. Отдельные аспекты методологии стендовых испытаний нашли отражение в научных работах сотрудников указанных организаций. Анализ известных исследований и разработок показал, что их применение не обеспечивало необходимого качества отработки создаваемых

ДУ.

Высокие технические требования к системам питания в части их надежного и безопасного функционирования на жидком водороде обусловили необходимость создания методик испытаний, основанных на результатах исследований процессов, характерных для условий предстартовой и полетной эксплуатации, а также методов управления имитационными процессами и операциями безопасного проведения испытаний при стендовой отработке ДУ.

Целью настоящей работы являлось создание методологии испытаний с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов топлива для эффективного проведения стендовой отработки ракетных двигательных установок.

7 В задачи входило проведение исследований процессов в системах питания и разработка методик (стратегий):

определения характеристик систем наддува при отработке внутрибаковых процессов с имитацией эксплуатационных условий интенсивности тепломассообмена;

определения характеристик систем топливоподачи при отработке двигателей с имитацией эксплуатационных условий газосодержания и паросодержания в компонентах топлива;

безопасного определения характеристик двигательных установок при комплексной отработке с имитацией эксплуатационных условий совместного функционирования систем питания.

Для решения указанных задач применялись:

анализ и обобщение опыта проведения стендовых испытаний с использованием теории технических систем и научных положений экспериментальной отработки ДУ ракетно-космической техники;

способы решения обратных задач тепло-массообмена для получения эмпирических зависимостей и методы численного определения параметров состояния топлива с использованием этих зависимостей;

идентификация эксплуатационных условий тепло-массообмена на основе физического и математического имитационного моделирования процессов с применением законов технической и химической термодинамики, а также зависимостей, характеризующих подобие процессов.

Исследования осуществлялись на комплексе водородно-кислородных стендов (КВКС 106) в НИИХМ в соответствии с Государственными ракетно-космическими программами при проведении опытно-конструкторских работах с ДУ ракетных блоков, их агрегатами и системами.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: 1. Применен системный подход к рассмотрению методологии стендовых испытаний. На концептуальном, оперативном и детальном уровнях предложены научно-технические решения задач по имитации эксплуатацион-

8 ных условий функционирования систем питания ДУ, работающих на криогенных компонентах топлива.

  1. Получены и обобщены данные по интенсивности теплообмена в баке при низкочастотных колебаниях свободной поверхности жидкости и массообмена при движении газа наддува через жидкость. Обосновано влияние на энергораспределение в баке условий ввода газа наддува, режимов колебаний поверхности жидкости, установки демпфирующих перегородок

  2. В результате определения влияния на интенсивность тепломассообмена колебаний поверхности жидкости и условий подачи в бак газа наддува усовершенствованы. методы расчета параметров состояния топлива в баке.

  3. Разработаны методы термодинамического расчета параметров состояния насыщенного топлива на входе в двигатель, учитывающие изменения состава фаз при газовыделении и парообразовании в баке и магистрали питания.

  4. Получены и обобщены данные по интенсивности процессов газовыделения в неподвижном и движущемся криогенном топливе, смешения его с газом или паром в спутном потоке. Подтверждена возможность равновесного термодинамического анализа процессов газовыделения и парообразования, происходящих в баке и магистрали питания.

  5. Предложены способы оперативного определения концентрации ие-конденсируемого газа, растворенного в криогенной жидкости, и амплитуды колебаний поверхности жидкости в стендовом модельном баке, осуществления поверок средств измерений температуры и сплошности криогенной жидкости.

  6. Определены соотношения физических параметров для получения в модельном баке и стендовых системах питания двигателя интенсивности тепло - массообменных процессов, прогнозируемой для условий эксплуатации ДУ. Рекомендованы зависимости для определения режимов имитационных процессов, позволяющих при автономной стендовой отработке агрегатов и систем ДУ осуществлять идентификацию параметров состояния топлива.

  1. Рекомендована методика определения характеристик систем наддува при отработке внутрибаковых процессов с имитацией интенсивности тепло- массообмена в модельном баке и предложены способы эффективного проведения внутрибаковых процессов на переохлажденных компонентах топлива.

  2. Рекомендована методика определения характеристик систем топли-воподачи при отработке двигателей с имитацией газосодержания и паросодер-жания в стендовой системе питания и определено влияние состава двухфазного потока водорода на кавитационные характеристики насосов натурных двигателей.

10. Систематизированы методы управления операциями безопасного
проведения испытаний при комплексной отработке ДУ с имитацией совместно
го функционирования систем питания и предложен критерий оценки эффек
тивности применяемых методов.

Новизна ряда научно-технических решений подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения и регистрацией методов расчета в Фонде алгоритмов и программ.

Апробация работы и публикации.

Основные положения настоящей работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах и конференциях:

«Кавитационные колебания и динамика гидравлических систем», ИТМ АН Украины, г. Днепропетровск, 1986 и 1990 г.; «Системы питания ЖРДУ» НИИХМ, г. Загорск, 1988 и 1989 г.; «Процессы в системах питания ЖРДУ», МАИ, г. Москва, 1988 и 1993г.; «Проблемы пожарной безопасности», ВНИИПО, г. Москва, 1991 г.; «Международная конференция по аэрокосмическим системам», НПО «Молния» и РИА, г. Зеленоград, 1992 г.;

«Проблемы применения криогенных компонентов топлива в авиации», ВВИА им. Жуковского Н.Е., г. Москва, 1994 г.;

«Российская национальная конференция по теплообмену», МЭИ и АН России, г. Москва, 1994 г.;

10 «Применение криогенных топлив в перспективных летательных аппаратах», Координационный Совет по водородной энергетике и технологии, ВВИА им. Жуковского Н.Е., АНТК им. Туполева АЛ., г. Москва, 1996 г.; «Международный форум по тепло-массообмену», ИТМО АН Белоруссии, г, Минск, 2000 г.

Ряд предложенных технических решений апробирован в промышленных условиях при проведении экспериментальной отработки в НИИХМ двигательных установок, их агрегатов и систем.

Результаты исследований и разработок по теме диссертации опубликованы в 42 статьях, защищены 32 авторскими свидетельствами на изобретения, нашли отражение в 2 программах для ЭВМ, учебном пособии для студентов высшего учебного заведения и 4 нормативно-методических документах, изложены в 30 отчетах по результатам испытаний.

Практическая ценность работы. Разработана методология стендовых испытаний, включающая современную концепцию отработки систем питания, методики определения характеристик систем питания с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов топлива, методы управления имитационными процессами и операциями безопасного проведения испытаний. Это позволило повысить эффективность стендовой экспериментальной отработки систем питания и способствовало техническому прогрессу в создании кислородно-водородных двигательных установок.

Результаты исследований и разработок, изложенные в диссертации, нашли практическое применение в организациях НИИХМ, РКК «Энергия», КБ «Салют», КБХА, КБХМ при стендовой отработке двигателей РД56, РД0120, КВД1 и двигательных установок РН «Энергия», 12КРБ.

В связи с перспективой применения жидкого водорода как экологически чистого и энергетически выгодного рабочего тела полученные в диссертационной работе данные могут быть использованы в дальнейшем при создании ракетных и аэрокосмических систем, энергоустановок для авиационного, морского и наземного транспорта.

Достоверность результатов паботы обеспечена:

использованием современных физико-математических методов для решения инженерных задач по определению характеристик систем питания ДУ;

получением и обобщением большого объема данных по результатам испытаний на натурных испытательных стендах и крупномасштабных экспериментальных установках, действующих на водороде и кислороде;

согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований с точностью, необходимой для определения характеристик натурных агрегатов и систем ДУ;

применением разработанных расчетных и экспериментальных методов при автономной и комплексной отработке кислородно-водородных ДУ.

Основные положения, представляемые к защите:

  1. Системная методология испытаний с имитацией эксплуатационных условий подачи криогенных компонентов при стендовой отработке ракетных двигательных установок.

  2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов прогрева криогенного топлива и его газонасыщения в баке, образования и имитации двухфазного состояния газосодержащего и паросодержащего топлива в магистрали питания двигателя; аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать изменения термодинамических параметров состояния компонентов топлива в баке и магистрали питания,

  3. Методика определения характеристик систем наддува с имитацией тепло-массообмена в модельном баке.

  4. Методика определения характеристик систем топливоподачи с имитацией газосодержания и паросодержания в компонентах топлива.

  5. Стратегия безопасного определения характеристик двигательных установок при комплексной отработке.

  6. Рекомендации по практическому применению результатов исследований и разработок при создании кислородно-водородных'двигательных установок.

Подобные работы
Козлов Сергей Александрович
Магнитно-импульсная метательная установка для испытаний на ударные воздействия
Перемысловская Анна Георгиевна
Идентификация математических моделей работы двигательной установки по результатам испытаний
Данилов Александр Тимофеевич
Обоснование и разработка оптимальных методов приемно-сдаточных испытаний главных дизельных установок транспортных судов в условиях мелководных акваторий верфей
Амахин Виктор Аркадьевич
Комплекс методов имитационных испытаний главных дизельных установок судов с винтами регулируемого шага
Кишкаревич Казимир Владимирович
Повышение эффективности работы тепловозов путем совершенствования настройки энергетической установки при реостатных испытаниях
Погорелов Григорий Иванович
Автоматизированный комплекс доводки и испытаний цифровых САУ многодвигательных силовых установок самолетов
Юда Томаш
Эффективность работы солнечных коллекторов и водонагревательных установок в климатических условиях Польши и разработка методик их тепловых испытаний
Самошкин Сергей Львович
Разработка методов проектирования, расчета и испытаний приводов вагонных генераторов и создание на их основе типового ряда генераторно-приводных установок пассажирских вагонов
Карамбиров Сергей Николаевич
Совершенствование методов расчета систем подачи и распределения воды в условиях многорежимности и неполной исходной информации
Кабальеро Герреро Николас
Повышение точности гидравлических расчетов и надежности эксплуатации систем подачи и распределения воды в условиях высокогорья

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net