Разработка ЖРД третьей ступени с дожиганием генераторного газа

1. Нечаев Алексей Дмитриевич студент группы 2608 с229 факультета ДЛА СГАУ.

Дипломная работа на тему:
Разработка ЖРД третьей ступени с
дожиганием генераторного газа тягой 30
кН на компонентах жидкий кислород и
керосин
Спецтема: Сравнительный расчет
регенеративного охлаждения камеры с
использованием в качестве охлаждающего
компонента жидкого кислорода и керосина
Руководитель: доцент С.А. Шустов

2.

3. Протототип

• В результате анализа в качестве прототипа
был выбран 11Д58МФ.

4. Основные характеристики 11Д58МФ

#
Характеристика
Значение
1
Тяга (пустота), Н
2
Количество включений, шт.
3
Горючее
4
Окислитель
5
Удельный импульс тяги (пустота), м/с
3646
6
Суммарное время работы, секунд
1800
7
Номинальный расход горючего, кг/с
3,53
8
Номинальный расход окислителя, кг/с
9,9
9
Соотношение компонентов в КС
2,8
10
Частота вращения вала ТНА, об/мин
11
Давление в КС, МПа
12
Соотношение компонентов в ГГ
13
Давление в ГГ, МПа
14
Температура на выходе из ГГ, К
50000
7
керосин
жидкий
кислород
41100
8
120
17
673

5. Результаты термогазодинамического расчета при использовании в качестве охладителя керосина.

Величина
Вар.1 рос=5 МПа
Вар.2 рос=10 МПа
αя= 0,87
αя=0,9
αпр=0,42
αпр=0,42
Iу.п, м/с
3755
3756
Iу.п действ., м/с
3371
3392
m∑, кг/с
8,9
8,9
mo, кг/с
6,4
6,4
mг, кг/с
2,5
2,5
Nг, кВт
34,8
68,4
No, кВт
70,34
134,6
ргг, МПа
7,68
14,5
αок.гг
14,6
16,48
πт
1,12
1,24
Тгг, К
753
783
α

6. Теоретические профили контура сопла проектируемого ЖРД при рос=5 Мпа и рос=10 Мпа.

7. Основные геометрические размеры теоретических контуров

Величина
Вар.1 рос=5 МПа
Вар.2 рос=10 МПа
d*, мм
61,6
43,8
dк, мм
118,6
84,2
lц.к, мм
186,7
142,3
da, мм
861,2
605,6
lc, мм
1249,8
881,0
l∑к, мм
1455,8
1022,0

8. Результаты расчетного определения основных энергетических параметров камеры, охлаждаемой керосином

рос=5 МПА,αя =0,87; αпр =0,42 ; Тпр=2100 К; mпр =0,2; Fa= 200
J
ид
у.п
к
Потери в сопле
тр
р
х.н.
c
J
Д
J у.п.
м/с
-
-
-
-
-
-
м/с
3805
0.97
0.051
0.0
0.025
0.925
0.897
3414

9. Результаты разработки ПГС для охлаждения камеры керосином

10. Результаты выполнения спецтемы: ПГС для охлаждения камеры кислородом

11. Проблемы теплового расчета при охлаждении камеры жидким кислородом

• В учебно-методических пособиях отсутствуют сведения о
роли фазовых переходов в тракте охлаждения при
использовании жидкого кислорода как охладителя.
• Невозможность использования программы кафедры
КиПДЛА «Охлада» из-за отсутствия в ней теплофизических
свойств по жидкому кислороду как охладителю.
• В результате анализа, проведенного в процессе
выполнения спецтемы получены следующие результаты:

12. Диаграмма фазовых состояний жидкого кислорода как охладителя

Выводы: 1. рабочий диапазон термодинамических
параметров жидкого кислорода как охладителя
находится в сверхкритической области.
2. В этой рабочей области отсутствуют фазовые
переходы.
3. Определены значения теплоемкостей при
постоянном давлении для проведения расчета
охлаждения.

13. График изменения изобарной теплоемкости жидкого кислорода в зависимости от температуры компонента

Источник: Сычев и др. Справочник по термодинамическим свойствам кислорода

14. График распределения плотности теплового потока по длине камеры сгорания

15. Методика расчета

• Подогрев жидкого кислорода в тракте охлаждения
считался вручную, используя зависимость:
li 1 rdl
2
Т i
qгi
m ci li cos
• Суммарный тепловой поток в стенку от ПС определялся с
помощью программного комплекса SPPSPMX
(Максимальный тепловой поток в области критического
сечения 8,21 МВт/м2).
Итог: ∆Т∑= 190 К. (от 110 К до 300 К).

16. Результаты сравнения вариантов термодинамического расчета для охлаждения камеры керосином и жидким кислородом

Величина
Охлаждение кислородом
Охлаждение керосином
Nг, кВт
39,86
34,8
No, кВт
71,85
70,34
ргг, МПа
7,07
7,68
αок.гг
0,3
14,6
πт
1,1
1,12
Тгг, К
759
753

17. Результаты расчетного определения основных энергетических параметров камеры, охлаждаемой кислородом

Результаты автора
рос=5 МПА,αя =0,87; Fa= 200
J
ид
у.п
к
Потери в сопле
тр
р
х.н.
c
J
Д
J у.п.
м/с
-
-
-
-
-
-
м/с
3805
1,0
0.051
0.0
0.025
0.925
0,925
3519
Результаты ИЦ имени Келдыша для 11Д58М (рос=7 МПА; Fa= 184)
-
0,97
-
-
-
0,958
0,93
3443
Результаты РКК «Энергия» для 11Д58МФ (рос=8 МПА; Fa= 184)
-
-
-
-
-
-
-
3646
Вывод: по сравнению с автором результаты ИЦ имени Келдыша по велечине
действительного удельного пустотного импульса даёт заниженную на 2% величину,
а результаты РКК «Энергия» завышены на 3,6%.

18. Выводы:

• Показано, что при использовании жидкого кислорода в
качестве охладителя отсутствуют фазовые переходы, поскольку
его параметры являются сверхкритическими.
• Охлаждающая способность жидкого кислорода примерно в Кm
раз (т.е. в 3 раза) выше, чем у керосина.
• Использование жидкого кислорода в качестве охладителя
позволяет отказаться от завесного охлаждения и повысить за
счет этого величину удельного импульса до 3%.
• Остаются открытыми вопросы о наилучшей величине давления
(5 или 10 МПа), а так же возможности дальнейшего
совершенствования системы подачи например использование
варианта окислительного газогенератора, или вообще
безгазогенераторной схемы.