МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ЗВОРОТНОГО КЛАПАНА В ГІДРАВЛІЧНІЙ СИСТЕМІ ЖИВЛЕННЯ РІДИННОГО РАКЕТНОГО ДВИГУНА ЗМІННОЇ СТРУКТУРИ

Анотація

DOI: https://doi.org/10.15407/itm2025.04.019

Серед різноманіття агрегатів автоматики пневмогідравлічних систем ракетної техніки широке застосування знайшли зворотні клапани. Найчастіше їх використовують у лініях заправлення різних ємностей, у магістралях наддуву паливних баків ракет-носіїв, де вони запобігають зворотному потоку та проникненню парів у системи наддуву. У рідинних ракетних двигунах (РРД) зворотні клапани встановлюють у дренажних лініях та в лініях продування інертними газами. Окрему увагу заслуговує використання зворотних клапанів у гідравлічних системах змінної структури, у яких під час роботи РРД відбувається зміна напрямків потоків рідини. Метою роботи є розроблення математичної моделі динамічних процесів у зворотному клапані, верифікованої за результатами CFD–розрахунків розподілу тиску на поверхні тарілки запірного органу, та застосування цієї моделі для аналізу перехідних процесів у гідравлічній системі змінної структури. Для визначення сили дії потоку на тарілку клапана запропоновано підхід у наближенні із зосередженими параметрами, який ґрунтується на балансі витрат робочої рідини у проточній частині клапана. Розглянуто потік у радіальному напрямку на вході клапана, який залежить від ходу тарілки, та потік на периферії запірного органу, у вузькій щілині між корпусом і тарілкою. Для реалізації цього підходу достатньо знати геометричні характеристики клапана та значення коефіцієнтів витрати, які приймаються постійними. Для гідравлічної системи живлення пальним змінної структури, що містить зворотні клапани, розроблено математичну модель низькочастотних динамічних процесів і виконано розрахунки перехідних процесів під час запуску РРД. У процесі запуску двигуна живлення пальним його газогенератора автоматично перемикається за допомогою зворотних клапанів: живлення від пускового бачка змінюється на живлення від насоса. Розрахунки перехідних процесів виконано для двох варіантів завдання сили дії потоку на тарілку зворотного клапана: за результатами CFD–аналізу та за наближенням із зосередженими параметрами. Показано задовільну узгодженість результатів цих розрахунків. Обґрунтовано можливість використання запропонованого наближення із зосередженими параметрами для визначення сили дії потоку на тарілку зворотного клапана для побудови математичних моделей динамічних процесів у гідравлічних системах змінної структури без залучення трудомістких CFD–розрахунків.

ПОСИЛАННЯ

1. Sutton G. P., Biblarz O. Rocket Propulsion Elements. 9‑te ed.  Hoboken: John Wiley & Sons, 2017. 800 p.

2. Huze, D. K., Huang D. H. Design of Liquid Propellant Rocket Engines. NASA SP‑125. Washington: NASA, 1971. 472 p.

3. Чернявський О. С., Шевченко С. А., Долгополов С. І. Математичне моделювання динамічних процесів під час роботи зворотного клапана в системі живлення змінної структури в рідинному ракетному двигуні. Авіаційно-космічна техніка і технологія. 2025. № 4 спецвипуск 2 (206) С. 93–101.

4. Pylypenko O., Dolgopolov S., Nikolayev O., Khoriak N., Kvasha Yu., Bashliy I. Determination of the thrust spread in the Cyclone-4M first stage multi-engine propulsion system during its start. Science and Innovation. 2022. Vol. 18, № 6. P. 97–112.

5. Koptilyy D., Marchan R., Dolgopolov S., Nikolayev O. Mathematical modeling of transient processes during start-up of main liquid propellant engine under hot test conditions. Proceedings of the 8th European Conference on Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), Madrid, Spain, 1–4 July. 2019. 15 p.

6. Kobielski M. J., Skarka W., Skarka M. Comparison of pressure‑loss evaluation fidelity in turbulent energy dissipation models of poppet check valves using computational fluid dynamics (CFD) software. Technical Sciences. 2024. Vol. 27. Р. 19–31. https://doi.org/10.31648/ts.9732

7. Filo G., Lisowski E., Rajda J. Design and Flow Analysis of an Adjustable Check Valve by Means of CFD Method. Energies. 2021. Vol, 14. No. 8. P.2237. https://doi.org/10.3390/en14082237

8. Klas R., Habán V., Rudolf P. Analysis of in‑line check valve with respect to the pipeline dynamics. EPJ Web of Conferences. 2017. Vol. 143. P. 02051. https://doi.org/10.1051/epjconf/201714302051

9. Lang S. A review of check valves in unsteady flow. Proceedings of the 2024 ASME Pressure Vessels & Piping Conference, V003T04A001.

10. Domagała M., Fabis‑Domagała J. A Review of the CFD Method in the Modeling of Flow Forces. Energies. 2023. Vol 16, No. 16. P. 6059. https://doi.org/10.3390/en16166059

11. Pusztai T., Siménfalvi Z. CFD analysis on a direct spring‑loaded safety valve to determine flow forces. Pollack Periodica. 2021. Vol.16. No.1. Pp. 109–113. https://doi.org/10.1556/606.2020.00122

12. Zong C., Zheng F., Chen D., Dempster W., Song X. CFD Analysis of the Flow Force Exerted On the Disc of a Direct‑Operated Pressure Safety Valve in Energy System. Journal of Pressure Vessel Technology. 2020. Vol.142, No.1. P.011702. https://doi.org/10.1115/1.4045131

13. Finesso R., Rundo M. Numerical and experimental investigation on a conical poppet relief valve with flow force compensation. International Journal of Fluid Power. 2017. Vol. 18, No. 2. Pp. 111–122. https://doi.org/10.1080/14399776.2017.1296740

14. Wu D., L, S., Wu P. CFD simulation of flow‑pressure characteristics of a pressure control valve for automotive fuel supply system. Energy Conversion and Management. 2015. Vol. 101. P. 410–419. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.06.025

15. Lisowski E., Rajda J. Analysis of the Design of a Poppet Valve by Transitory Simulation. Energies. 2019. Vol. 12, No. 5. P. 889. https://doi.org/10.3390/en12050889

16. Marchan R. A. Small-scale supersonic combustion chamber with a gas-dynamic ignition system. Combustion Science and Technology. 2011. Vol. 183, № 11. P. 1236–1265. https://doi.org/10.1080/00102202.2011.589874

17. Marchan R., Oleshchenko A., Vekilov S., Arsenuk M., Bobrov O. 3D printed acoustic igniter of oxygen-kerosene mixtures for aerospace applications. Proceedings of the 8th European Conference on Aeronautics and Space Sciences (EUCASS), Madrid, Spain, 1–4 July. 2019. 14 р.

18. Raman G., Srinivasan K. The powered resonance tube: From Hartmann's discovery to current active flow control applications. Progress in Aerospace Sciences. 2009. Vol. 45, No. 4‑5. P. 97–123. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2009.05.001

19. Guillon M. Hydraulic servo systems: Analysis and design. Butterworth, 1969. 462 p.

20.Habing R. A., Peters M.C.A.M. An experimental method for validating compressor valve vibration theory. Journal of Fluids and Structures. 2006. Vol. 22, No. 5. P. 683–697. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2006.03.003