ТЕХНІЧНА МЕХАНІКА
ISSN 1561-9184 (друкована версія), ISSN 2616-6380 (електронна версія)

ГОЛОВНА    ПРО ЖУРНАЛ    РЕДКОЛЕГІЯ    АВТОРАМ    ПОТОЧНИЙ ВИПУСК    АРХІВ    КОНТАКТИ

УДК 629.76

Технічна механіка, 2021, 1, 16- 28

ОЦІНКА ПАРАМЕТРІВ ВИСОКОЧАСТОТНИХ КОЛИВАНЬ РІДИННОГО РАКЕТНОГО ДВИГУНА З КІЛЬЦЕВОЮ КАМЕРОЮ ЗГОРЯННЯ

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2021.01.016

Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Хоряк Н. В., Долгополов С. І.

Ніколаєв О. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Башлій І. Д.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Хоряк Н. В.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

Долгополов С. І.
Інститут технічної механіки Національної академії наук України і Державного космічного агентства України,
Україна

      Розвиток високочастотної нестійкості рідинного ракетного двигуна (РРД) при його вогневих випробуваннях часто супроводжується значним зростанням динамічних навантажень на конструкцію камери згоряння, що нерідко призводить до її руйнування. Це динамічне явище може бути також вкрай небезпечним для віброміцності рідинного ракетного двигуна з кільцевою камерою згоряння. Розрахунок параметрів акустичних коливань продуктів згоряння є важливим при проєктуванні і відпрацюванні таких РРД. Мета статті – розробка чисельного підходу до визначення параметрів акустичних коливань продуктів згоряння в кільцевих камерах згоряння рідинних ракетних двигунів з урахуванням особливостей конфігурації вогневого простору і зміни фізичних властивостей газового середовища в залежності від осьової довжини камери. Запропонований чисельний підхід засновано на математичному моделюванні власних коливань замкнутої динамічної системи «оболонкова конструкція кільцевої конфігурації – газ», яка описує високочастотні процеси в такій камері згоряння, за допомогою методу скінченних елементів.
      Показано, що на основі розробленої скінченно-елементної моделі спільних просторових коливань конструкції кільцевої камери згоряння і продуктів згоряння, що містяться в ній, можуть бути визначені параметри коливань зазначеної динамічної системи (частоти, форми та ефективні маси) для її домінуючих акустичних мод, амплітуди коливань і віброприскорень стінок камери згоряння, а також виявлені режимні параметри роботи рідинного ракетного двигуна, потенційно небезпечні для розвитку термоакустичної нестійкості робочого процесу в кільцевій камері згоряння двигуна. Для чисельного визначення коефіцієнтів підсилення досліджуваної камери згоряння (по тиску) в скінченно-елементну модель динамічної системи «оболонкова конструкція кільцевої конфігурації – газ» (в елементах початку вогневого простору) вводиться джерело гармонійного збурення тиску.
      Тестування розробленого чисельного підходу і подальший аналіз отриманих результатів проведено для двигуна з кільцевою камерою згоряння (при співвідношенні її зовнішнього і внутрішнього діаметрів, рівному 1,5), де в якості паливної пари використовується пара рідкий кисень–метан.
      Визначено частоти і форми поздовжніх, тангенціальних і радіальних мод акустичних коливань. Показано, що в разі відносно малої жорсткості стінок конструкції камери згоряння частота першої моди акустичних коливань менше частоти, розрахованої для конструкції з жорсткими стінками, на 40 відсотків.
     

рідинний ракетний двигун, кільцева камера згоряння, паливна пара метан–кисень, високочастотна нестійкість, частоти коливань

1. Hall Joshua N., Hartsfield Carl R., Simmons Joseph R., Branam Richard D. Performance & Thrust-to-Weight Optimization of the Dual Expander Aerospike Nozzle Upper Stage Rocket Engine. AIAA Report. 2012. 50260651/Q0BD. URL: https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2011-419 (Last accessed: 25.11.2020).

2. Bell G., Weightman J., Knast T., Tan D., Mason-Smith N., Wong M., Jurg M. An Additively Manufactured CNG/GOX Aerospike Rocket Engine: Design Process, 68th International Astronautical Congress. (Adelaide, Australia, 25 – 29 September, 2017) Adelaide, Australia, 2017. IAC-17-C4.1.12. URL: https://iafastro.directory/iac/paper/id/39522/summary/ (Last accessed: 25.11.2020).

3. Bacha Christian, Schongarth Sarah, Bust Bernhard, Propst Martin, Sieder-Katzmann Jan, Tajmar Martin How to steer an aerospike. 69th International Astronautical Congress. (Bremen, October, 2018). Bremen, 2018. IAC-18-C4.3.15 URL: https://www.researchgate.net/publication/328145907_How_to_steer_an_aerospike (Last accessed: 25.11.2020).

4. Натанзон M. C. Неустойчивость горения. Москва: Машиностроение, 1986. 208 p.

5. Dranovsky Mark L. Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines. Testing and Development Practices in Russia. AIAA Progress In Astronautics And Aeronautics. 2007. Volume 221. 321 pp. https://doi.org/10.2514/4.866906

6. Ильченко М. А., Крютченко В. В., Мнацаканян Ю. С. Устойчивость рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1995. 320 p.

7. Klein Sebastian, Borner Michael, Hardi Justin S., Suslov Dmitry, Oschwald Michael Injector?coupled thermoacoustic instabilities in an experimental LOX?methane rocket combustor during start?up. CEAS Space Journal. 2020. P. 267–279. URL: https://www.ist.rwth-aachen.de/go/id/raks/file/794257/lidx/1/ (Last accessed: 25.10.2020). https://doi.org/10.1007/s12567-019-00294-4

8. Liquid propellant rocket. Сombustion instability. National Aeronautics And Space Administration. Washington, 1972. 637 p. SP-194. URL: https://ntrs.nasa.gov (Last accessed: 25.10.2020).

9. Kaess R., Koeglmeier S., Sattelmayer T., Schulze M., Oschwald M., Hardi J. HF combustion stability. research activities in Germany. Space Propulsion Conference. Rome, 2016. 12 p. SP2016_3124816. URL: https://elib.dlr.de/107846/1/Kaess2016_SP2016_3124816.pdf (Last accessed: 25.10.2020).

10. Kohnke P. Ansys Inc. Theory Manual. Twelfth Edition. Canonsburg: SAS IP, 2001. 1266 p.

11. Зенкевич О. К. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир, 1975. 541 c.

12. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: «Высшая школа», 1978. 448 с

13. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 618 с.

14. Бате К. Ю. Методы конечных элементов: пер. с англ. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 1024 с.

15. Zienkiewicz O. C., Newton R. E. Coupled Vibrations of a Structure Submerged in a Compressible Fluid. Proceedings of the Symposium on Finite Element Techniques. University of Stuttgart. (Germany, June, 1969). Germany, 1969. URL: https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A27785b4f-3709-4fa9-a189-6ce1d3365564 (Last accessed: 25.10.2020).

16. Oschwald M., Farago Z., Searby G., Cheuret F. Resonance Frequencies and Damping of a Combustor Acoustically Coupled to an Absorber. Journal of Propulsion And Power. 2008. Vol. 24. No. 3. Pр. 524–533. URL: https://www.researchgate.net/publication/225000485_Resonance_Frequencies_and_Damping_of_a_Cylindrical_Combustor_Acoustically_Coupled_to_an_Absorber (Last accessed: 25.10.2020). https://doi.org/10.2514/1.32313

17. Crocco L., Cheng S. I. Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors. London: Butterworths Scientific Publications, New York: Interscience Publishers Inc., 1956. 200 p. URL: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1957JFM.....2..100H/abstract (Last accessed: 25.10.2020). https://doi.org/10.1017/S0022112057210774

Copyright (©) 2021 Ніколаєв О. Д., Башлій І. Д., Хоряк Н. В., Долгополов С. І.

Copyright © 2014-2021 Технічна механіка