Повышение эффективности расчетных работ по определению теплового состояния жрдмт 3 н за счет применения программного комплекса ansys workbench




Скачать 162.98 Kb.
Дата14.06.2016
Размер162.98 Kb.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСЧЕТНЫХ РАБОТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЖРДМТ 3 Н ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS WORKBENCH

В. И. Абашева

Федеральное государственное унитарное предприятие

«Научно-исследовательский институт машиностроения»

624740, г. Нижняя Салда, ул. Строителей, 72

E-mail: mail@niimashspace.ru

Тел. (343) 45-36-5-18
Представлена методика проведения теплового расчета по определению теплового состояния жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ) с диапазоном тяги
от 3 до 12 Н при штатной эксплуатации двигателя, используя программный комплекс ANSYS Workbench. Дается расчетная оценка возможности выполнения требований технического задания (ТЗ) по обеспечению удовлетворительного теплового состояния ЖРДМТ тягой
3 Н при непрерывном режиме работы двигателя и при его длительном «молчании».
Математическая тепловая модель, модель ЖРДМТ тягой 3 Н, тепловой расчет, ANSYS Workbench.
Одной из основных проблем при создании двухкомпонентных ЖРДМТ с уровнем тяги 3 Н является обеспечение работоспособности ЖРДМТ при высоких и стабильных энергетических характеристиках двигателя. Основными особенностями являются малый суммарный массовый расход компонентов топлива, который делает невозможным применение традиционных способов охлаждения (регенеративное охлаждение, внутреннее охлаждение камеры сгорания с помощью завесы), а так же близость теплонапряженных частей камеры сгорания к смесительной головке вследствие малых осевых размеров двигателя, что может вызывать перегрев смесительной головки с электроклапанами.

Целью работы являлось создание методики решения задач по обеспечению работоспособности ЖРДМТ тягой в диапазоне от 3 до 12 Н при штатной эксплуатации двигателя, используя программный комплекс ANSYS Workbench.

В частности давалась расчетная оценка возможности выполнения требований технического задания (ТЗ) по обеспечению работоспособности ЖРДМТ тягой 3 Н при непрерывном режиме работы двигателя и при его длительном «молчании».
1. Постановка задачи

Анализ требований ТЗ на двигатель 3 Н позволяет принять следующие исходные данные для проведения расчетов:

 температура космического пространства вокруг двигателя составляет минус
240 С (теневая сторона Земли);

 тепловой поток от Солнца к двигателю (двигатель обращен к Солнцу) равен


1,4 кВт;

 температура по всему объему кронштейна крепления двигателя на космический аппарат (КА) равна 0 С или 40 С;

 температура компонентов топлива на входе в двигатель равна
0 С или 40 С.

За температуру компонентов топлива и кронштейна крепления двигателя на КА взяты крайние значения из диапазонов изменения этих величин, оговоренных требованиями ТЗ на двигатель, поскольку любое изменение перечисленных исходных параметров внутри диапазона приводит к промежуточным результатпм при определении теплового состояния двигателя.

При проведении расчетов решались два вида задач, имитирующих условия использования ЖРДМТ при штатной эксплуатации при различных сочетаниях исходных данных:

 непрерывный режим работы двигателя продолжительностью


300 с;

 «молчание» двигателя с неработающим и работающим электронагревателем в течение 10000 с в тени Земли;

 «молчание» двигателя с неработающим электронагревателем в течение 10000 с на Солнце.

Интервалы времени, принимаемые в расчет, назначались таким образом, чтобы за выбранный временной интервал наступал установившийся теплообмен конструкции двигателя и окружающей среды.

При проведении расчетов моделировались только непрерывные включения двигателя, поскольку из экспериментальных данных [1], полученных при испытании аналога двигателя, известно, что непрерывный режим работы является самым теплонапряженным.

Для моделирования условий теплообмена между двигателем и его креплением на КА в расчетную модель включен кронштейн. Для проведения расчетов температуры кронштейна задавалась постоянной для всего объема этого расчетного элемента. Температура конструкции двигателя на начало расчета задавалась в зависимости от вида решаемой задачи: для задач, моделирующих тепловой режим двигателя на непрерывном включении, температура всех компонентов, составляющих расчетную модель, задавалась равной 20 С; для задач, моделирующих тепловое состояние двигателя в период «молчания», температура конструкции двигателя на начало расчета задавалась по-разному. Конкретные значения температуры конструкции на начало расчета приводятся ниже.


Таблица 1.Задачи, решаемые при тепловом расчете

Задача 1

Начальные условия

− температура в зоне минимального сечения сопла составляет
1500 °С;

− температура на поверхности конструкции ЖРДМТ на начало расчета равна 20 °С;

− температура окружающей среды равна минус 240 °С;

− время работы двигателя, принятое для расчета t = 300 с;

− задавались коэффициенты теплопередачи компонентов топлива αо и αг;

− температура компонентов топлива равна 40 °С;

− температура кронштейна равна 40 °С.


Определяемые характеристики

 распределение температуры по конструкции двигателя, удовлетворяющее начальным условиям расчета.

Задача 2

Начальные условия

− температура поверхности конструкции на начало расчета берется раной температуре, определенная в задаче 1 при температуре компонентов топлива и кронштейна равной 0 °С;

− температура окружающей среды равна минус 240 °С;

− время «молчания» двигателя, принятое для расчета t = 10000 с.

Продолжение таблицы 1



Определяемые характеристики

 распределение температуры по конструкции двигателя, удовлетворяющее начальным условиям расчета.

Задача 3

Начальные условия

− температура окружающей среды равна 120 °С;

− температура на поверхности конструкции ЖРДМТ на начало расчета равна 0 °С;

− температура кронштейна равна 40 °С;

− время «молчания» двигателя, принятое для расчета t = 10000 с.



Определяемые характеристики

 распределение температуры по конструкции двигателя, удовлетворяющее начальным условиям расчета.

При решении задачи 2 определялась мощность электронагревателя, которая обеспечивает температуру электроклапана (ЭК) в диапазоне от 0 до 15 С. В расчете принято, что вся электрическая мощность без потерь переходит в тепловую мощность электронагревателя. Тепловой поток от электронагревателя к смесительной головке прикладывается равномерно по всей площади контакта между электронагревателем и корпусом смесительной головки.

По расчетной оценке, было получено, что при непрерывном режиме работы двигателя тепло, поступающее от электроклапана к корпусу смесительной головки, будет сниматься компонентами топлива.
2. Описание модели

Модель расчета теплового состояния конструкции ЖРДМТ тягой 3 Н формировалась на основе материалов экспериментального исследования теплового состояния ЖРДМТ с диапазоном тяги от 3 Н до 12 Н, проведенного в ФГУП «НИИМаш» [1].

В результате анализа материалов испытаний по определению теплового состояния выделены следующие особенности, характерные для ЖРДМТ тягой в диапазоне от 3 Н до 12 Н:

– максимальная тепловая нагрузка на стенке конструкции двигателя получена на непрерывном режиме работы и локализована в зоне минимального сечения сопла


(1500 С);

– темп нарастания температур в указанной зоне с момента включения до установившегося значения значительно опережает темп достижения стационарных значений температур в менее нагруженных зонах камеры сгорания (КС). Так, максимальная температура достигает около 90% от установившегося значения температур за 8…12 с. с момента включения, тогда как в других зонах происходит плавный рост температур до установившегося значения за 130 с;

– процесс теплообмена между продуктами сгорания и огневой стенкой КС активно протекает только в указанной локальной зоне;

– количество теплоты, которое поглощается компонентами топлива в паузе между включениями при их нагреве и испарении из заклапанных полостей смесительной головки и форсунки, составляет величину не более 14 Дж.

Выделенные особенности позволяют сформировать следующие допущения:

– процесс теплообмена между продуктами сгорания и огневой стенкой КС активно протекает только в локальной зоне минимального сечения сопла. На остальной длине КС влиянием теплообмена между продуктами сгорания и материалом стенки КС можно пренебречь;

– сразу после включения ЖРДМТ температура огневой стенки в указанной локальной зоне принимает постоянное значение, равное установившемуся значению температуры на непрерывном режиме;

– при проведении теплового расчета в паузе между включениями двигателя учитывается изменение температур конструкции только за счет теплопроводности материала КС и лучистого теплообмена с ее поверхности.

Прогрев конструкции всего двигателя будет происходить за счет перетекания тепла от локализованной зоны высоких температур в районе минимального сечения сопла к остальной части КС за счет теплопроводности материала стенки и за счет излучения с наружной и внутренней поверхности КС.

Изменение температуры смесительной головки на режиме работы и в паузе между включениями связано с наличием (на режиме) или отсутствием (в паузе между включениями) теплосъема компонентами топлива с корпуса смесительной головки. Существенное влияние этого вида теплообмена на распределение температур по смесительной головке, работающего аналога двигателя, подтверждено экспериментально [1].

Уровень значений зарегистрированных температур на большой части конструкции КС свыше 600 С, что позволяет считать существенным теплообмен излучением с наружной поверхности КС.

Таким образом, задав температуру в локальной зоне минимального сечения сопла, равную установившемуся значению, при непрерывном включении (продолжительностью 130 с и более) температуру любой точки КС можно определить из теплового баланса, описанного уравнением:



, (1)

где − количество теплоты, переданное через теплопроводность материалов, составляющих КС;



− количество теплоты, переданное через излучение;

− количество теплоты, переданное через теплосъем компонентами топлива с корпуса смесительной головки;

− количество теплоты локальной зоны, где температура поверхности КС задана.

В паузе между включениями уравнение теплового баланса для определения температуры любой точки КС будет иметь вид:



, (2)

где − количество теплоты, выработанное электронагревателем;



− изменение количества теплоты во времени.

Задача, описанная уравнениями (1, 2), является задачей сопряженного теплообмена, решение которой возможно, например, численными методами.

На рисунке 1 показан состав расчетной модели ЖРДМТ тягой 3 Н.


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Рисунок 1. Расчетная модель ЖРДМТ тягой 3 Н

1 - смесительная головка; 2 - фланец; 3 - дроссель «Г»;

4 - трубопровод; 5 - пластина силовая передняя; 6 - пластина силовая задняя;


7 - тепловой экран; 8 – кронштейн; 9 – электроклапан «Г»;

10 - переходник; 11 - сопло с КС.


12

13

Элементы расчетной модели полностью соответствуют размерам и элементам конструкции ЖРДМТ тягой 3 Н. Контакты между элементами конструкции приняты идеальными по всей поверхности контакта.


3. Методы решения

При расчете теплового состояния ЖРДМТ тягой 3 Н использовался программный комплекс ANSYS Workbench и метод Radiosity Solution. Программный комплекс ANSYS Workbench позволяет рассчитать все три вида теплообмена: теплопроводность, конвекцию и лучистый теплообмен. Для моделирования лучистого теплообмена между двумя телами был использован метод Radiosity Solution. Использование комплекса ANSYS Workbench позволило построить конечно-разностный аналог конструкции ЖРДМТ тягой 3 Н, а также позволило учесть все компоненты реальной конструкции ЖРДМТ значимым образом влияющие на передачу тепла.

При расчете коэффициентов теплопрередачи от смесительной головки компонентам топлива, текущим по каналам в корпусе смесительной головки, использовалась зависимость коэффициента теплопередачи вида, согласно [2]:

,

где α – коэффициент теплоотдачи;

Nu – критерий Нуссельта;

λ1 – коэффициент теплопроводности;

d – диаметр.

Критерий Нуссельта (Nu) определялся по критериальным зависимостям вида , при этом учитывался режим течения компонентов топлива по каналам двигателя (турбулентный или ламинарный) в зависимости от критерия Рейнольдса, рассчитанного по среднерасходной скорости компонентов топлива.

При ламинарном режиме течения топлива критерий Нуссельта вычислялся по формуле:

,

где Re – критерий Рейнольдса;

Pr – критерий Прандля;

l – длина канала.

При турбулентном режиме течения топлива критерий Нуссельта вычислялся по формуле:

.

где Prw – критерий Прандля для компонентов топлива, находящихся в непосредственной близости рядом со стенкой канала.

Критерий Нуссельта вычислялся для каждого участка гидравлического тракта ЖРДМТ в отдельности.

4. Анализ результатов теплового расчета

При моделировании тепловых режимов работы ЖРДМТ и тепловых режимов двигателя в период его «молчания» (таблица 1) учтено влияние всех элементов конструкции ЖРДМТ, которые значимым образом могут повлиять на температуру конструкции двигателя. Кроме того, введение в тепловую модель кронштейна крепления двигателя на объекте позволило получить представление об условиях теплообмена между ЖРДМТ и кронштейном космического аппарата.

Грубая модель рабочего процесса двигателя, когда реальное изменение температуры конструкции огневой стенки камеры сгорания заменяется ступенчатым изменением температуры, не позволяет получить полного представления об изменении температуры конструкции двигателя с первых секунд его включения, но с удовлетворительной точностью позволяет судить о температуре конструкции на установившимся тепловом режиме работающего двигателя при его непрерывном включении.

Сочетание исходных условий к началу расчета (таблица 1) позволяет получить экстремальные оценки теплового состояния двигателя при крайних значениях температур компонентов топлива, температур кронштейна крепления двигателя на КА, из диапазонов изменения этих величин, оговоренных требованиями ТЗ.

При моделировании непрерывного включения двигателя приблизительно к 130 с работы диапазон изменения температур отдельных элементов конструкции двигателя на этом режиме представлен в таблице 2.
Таблица 2. Установившееся значения температурных полей элементов конструкции двигателя полученных при решении задачи 1


Наименование

Диапазон температур, ºС

Смесительная головка

от 49,8 до 195,03

Электроклапан «О» и «Г»

от 41,9 до 55,26

Дроссель

от 40 до 40,37

Фланец

от 39,993 до 40,059

Кронштейн

40

Компоненты топлива

40

Полученный при решении задачи 1 температурный режим конструкции ЖРДМТ находится в диапазоне, при котором узлы и агрегаты двигателя сохраняют свою работоспособность.

При рассмотрении задачи в случае «молчания» двигателя после выключения ЭК двигателя (таблица 2 задача2), определены некоторые особенности изменения теплового состояния двигателя.

Отсутствие теплосъема компонентами топлива с корпуса смесительной головки и уменьшение температуры минимального сечения сопла при его охлаждении приводят к тому, что температуры конструкции двигателя начинают изменяться. При этом температуры смесительной головки, ЭК, дросселей и фланца двигателя в первые моменты времени после выключения ЭК начинают расти и лишь спустя некоторое время, достигнув максимальных значений, начинают уменьшаться.


Таблица 3. Диапазоны изменений температуры конструкции наиболее критичных элементов двигателя за время остывания

Наименование

Диапазон Tmax после
выключения, ºС

Диапазон установившегося значения при остывании, ºС

Температура электроклапана «О» и «Г»

от 47,188 до 83,69

от минус 1,5 до плюс 34,17

Температура дросселя «О» и «Г»

от 7,38 до 46,49

от 8,503∙10-3 до 40,008

Температура поверхности контакта фланца и кронштейна

от 0,1 до 40,1

от 0,0653 до 40

Полученные диапазоны изменения температуры элементов конструкции не выходят за пределы, определяющие их работоспособность. Максимальная температура фланца на поверхности контакта двигателя и кронштейна превышает уровень 40 ºС. Время, в течение которого температура фланца превышает уровень в 40 ºС с момента выключения ЭК при решении задачи «молчания» двигателя с температурой поверхности конструкции на начало расчета равной температуре, определенной в задаче 1 при температуре компонентов топлива и кронштейна равной 40 °С, составляет 1,3 часа, что удовлетворяет условию ТЗ. Расчет остывания двигателя после выключения ЭК при условиях задачи 2 показал, что на смесительной головке и ЭК двигателя может реализовываться отрицательная температура. При условиях этой задачи на смесительной головке и ЭК получена температура минус 1,5 ºС. Согласно требованиям ТЗ, температура ЭК должна поддерживаться в диапазоне температур от 0 до 15 ºС. Полученное отрицательное значение температур ЭК двигателя свидетельствует о необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению температуры ЭК в указанном диапазоне.

В ходе решения задачи 2 подбором определялась необходимая мощность электронагревателя, которая обеспечила бы температуру смесительной головки и ЭК в заданном диапазоне температур от 0 до 15 ºС. Кроме того, выбор мощности электронагревателя проводился таким образом, чтобы в случае непрерывного режима включения неограниченного по времени работа электронагревателя не приводила к перегреву конструкции ЖРДМТ. В результате проведенного расчета установлено, что мощности электронагревателя 1,6 Вт достаточно для поддержания температуры ЭК двигателя не менее 3,8 ºС. Кроме того установлено, что при выбранной мощности электронагревателя время его включения может быть не ограничено.

Сравнение расчетов температурных полей ЖРДМТ, проведенных с включением в расчет теплового экрана и без него, показывает, что температуры конструкции наружной стенки камеры сгорания и сопла без теплового экрана меньше аналогичных температур конструкции двигателя при включенном в расчет тепловом экране на 20 – 100 ºС. Введение в конструкцию ЖРДМТ теплового экрана приводит к увеличению тепловой нагрузки камеры сгорания, сопла и переходника камеры.

Результаты расчета непрерывного режима работы ЖРДМТ показали, что на поверхности теплового экрана, обращенной к излучающей поверхности сопла и камеры сгорания двигателя, реализуются температуры от 408,6 до 650,42 ºС, когда на кожухе теплового экрана температура изменяется в диапазоне от 39,9 до 58,06 ºС. Полученный уровень снижения температур между внутренней и внешней поверхностями теплового экрана при работающем двигателе свидетельствует об эффективности применения теплового экрана предлагаемой конструкции для защиты КА от теплового излучения с поверхности сопла и камеры сгорания двигателя. При этом температуры конструкции камеры сгорания, сопла, переходника камеры, смесительной головки, ЭК, дросселей остаются в диапазоне, обеспечивающим безаварийность эксплуатации двигателя.

Результаты решения задачи 3 позволяют провести оценку эффективности предлагаемых решений для используемых элементов конструкции ЖРДМТ в части обеспечения удовлетворительного теплового состояния неработающего двигателя при нахождении двигателя на Солнце. При моделировании считалось, что двигатель своими поверхностями способными излучать и переизлучать тепло. Полученное распределение температуры установившегося теплового режима приведено в таблице 4.


Таблица 4. Установившееся значения температурных полей элементов конструкции ЖРДМТ при длительном «молчании» на Солнце

Наименование

Диапазон значений температур, ºС

Температура электроклапана «О» и «Г»

от 41,687 до 41,771

Температура дросселя «О» и «Г»

от 40,579 до 40,638

Температура поверхности контакта
фланца и кронштейна

от 39,998 до 40,005

Данные таблицы 4 показывают, что при нахождении ЖРДМТ на Солнце конструкторские решения ЖРДМТ с кронштейном крепления на КА позволяют обеспечить удовлетворительное тепловое состояние ЖРДМТ и условия ТЗ выполнимы.


5. Выводы

Проведенный тепловой расчет состояния модели ЖРДМТ тягой 3 Н позволяет дать оценку работоспособности ЖРДМТ и эффективности мероприятий по обеспечению работоспособности ЖРДМТ в составе КА. При проведении теплового расчета непрерывного режима работы двигателя, режима остывания двигателя показано, что предлагаемые конструкторские решения ЖРДМТ совместно с мероприятиями по организации теплового режима кронштейна крепления двигателя средствами КА, обеспечивают работоспособность ЖРДМТ при его штатной эксплуатации. Максимальные температуры элементов конструкции двигателя при непрерывном режиме работы двигателя представлены в таблице 2.

При расчете режима остывания ЖРДМТ получены максимальные значения температур ЭК «О», «Г», дросселей «О», «Г», фланца двигателя по поверхности контакта с кронштейном, которые приведены в таблице 3.

Максимальное время нахождения фланца по месту контакта с кронштейном в диапазоне от 40 до 50 ºС при остывании двигателя с температурой на поверхности конструкции на начало расчета равной температуре, определенной в задаче 1 при температуре компонентов топлива и кронштейна равной 40 °С, составляет 1,3 часа.

Для обеспечения температуры ЭК в диапазоне от 0 до 15 ºС в период «молчания» двигателя при температуре кронштейна 0 ºС необходимо использовать электронагреватель мощностью 1,6 Вт. Выбранная мощность позволяет обеспечивать температуру ЭК на уровне 3,8 ºС при включенном электронагревателе неограниченное время.

В результате расчета показана эффективность конструкторских решений теплового экрана, позволяющего обеспечить снижение температуры между внутренней частью теплового экрана, обращенной к излучающей поверхности сопла и камеры сгорания, с уровня от 408,6 до 650,42 ºС до уровня от 39,9 до 58,06 ºС на поверхности кожуха.

Проведенная расчетная оценка показывает возможность выполнения требований ТЗ в части обеспечения работоспособности ЖРДМТ тягой 3 Н.

Сопоставимость данных теплового расчета двигателя и экспериментального подтверждения полученных данных при наземно-экспериментальной отработке (НЭО) позволит использовать метод, приведенный в настоящем тепловом расчете, при проектировании ЖРДМТ других модификаций, что существенно может сократить материальные затраты при отработке конструкции.


Литература

[1] Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования теплового состояния ЖРДМТ диапазона тяг от 3 Н до 12 Н, отчет №081Д-239/2003, ФГУП НИИМаш, 2003 г.



[2] М. А. Михеев и М. И. Михеева. Краткий курс теплопередачи: Учебник для неэнергетических специальностей высших технических учебных заведений; Госэнергоиздательство, 1961 г.


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница