Keywords
:
liquid-propellant engine, regenerative cooling, liquid oxygen, fluid
dynamics, heat exchange, computational simulation.
Исследованию теплового состояния различных элементов кон-
струкции и численному моделированию сопутствующих процессов,
протекающих во внутреннем объеме камер жидкостных ракетных
двигателей (ЖРД), в настоящее время уделяется пристальное вни-
мание. Это связано прежде всего с постоянно ужесточающимися
требованиями по повышению надежности ЖРД и сокращению сроков
разработки.
Численный эксперимент [1, 2] позволяет на этапе эскизного проек-
тирования ракетного двигателя сократить затраты на его создание за
счет снижения объема стендовой отработки. Кроме того, инструмен-
ты численного моделирования дают возможность в комплексе оце-
нить влияние различных принципиальных изменений, вносимых в
конструкцию камеры сгорания двигателя, по наименее экономически
затратному пути.
Одним из основных вопросов создания камер ЖРД является орга-
низация эффективного рабочего процесса, определяемого смесеобра-
зованием компонентов топлива, тепловым состоянием конструкции ка-
меры, эффективностью преобразования химической энергии топлива
в тепловую в объеме КС. При этом большинство современных дви-
гателей, работающих на компонентах топлива “кислород + керосин”
(11Д58М, РД-170/171, РД-180, РД-191, РД-0124, НК-33 и др.), тради-
ционно используют в качестве охладителя керосин [3, 4].
В настоящее время ведутся работы по созданию нового ЖРД для
разгонного блока тягой 50 кН на топливе кислород и углеводород-
ное горючее, использующего в качестве охладителя камеры сгорания
жидкий кислород [5, 6]. Несмотря на то, что кислород по сравнению
с керосином как хладагент имеет большую эффективность, остают-
ся нерешенными некоторые вопросы, связанные с особенностями его
течения в тракте охлаждения ЖРД и сопутствующими теплофизиче-
скими процессами.
Цель настоящей работы — численное 3D-моделирование течения
жидкого кислорода по тракту охлаждения камеры рассматриваемо-
го ЖРД [7] с учетом ее геометрических особенностей, а также про-
цессов теплообмена в системе “продукты сгорания–огневая стенка–
охладитель” с использованием алгоритмов и методик авторской раз-
работки в сочетании с современными средствами вычислительной
гидро- и газодинамики. Схема охлаждения исследуемой камеры двига-
теля представлена на рис. 1. В двигателе используется схема внешнего
регенеративного охлаждения с подводом охладителя в район крити-
ческого сечения и течением его против потока продуктов сгорания к
головке с последующим перепуском в расширяющуюся часть сопла
4 ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2014. № 6
