Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей

Предложен методический подход к выбору основных параметров неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей при генерировании в свободном газовом объеме мощных акустических полей....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автори:	Заволока, А.Н., Логвиненко, А.И., Свириденко, Н.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України 2011
Назва видання:	Техническая механика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88187
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей / А.Н. Заволока, А.И. Логвиненко, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2011. — № 1. — С. 78-85. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-88187
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-881872015-11-10T03:02:01Z Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей Заволока, А.Н. Логвиненко, А.И. Свириденко, Н.Ф. Предложен методический подход к выбору основных параметров неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей при генерировании в свободном газовом объеме мощных акустических полей. Запропонований методичний підхід до вибору основних параметрів неізотермічних систем наддування паливних баків ракет-носіїв при генеруванні у вільному газовому обсязі потужних акустичних полів. The methodical approach to the choice of the main parameters of nonisothermic pressurization systems of the LV fuel tanks in generating powerful acoustic fields in the free gas volume is proposed. 2011 Article Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей / А.Н. Заволока, А.И. Логвиненко, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2011. — № 1. — С. 78-85. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1561-9184 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88187 629.7.0636: 594.29 ru Техническая механика Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Предложен методический подход к выбору основных параметров неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей при генерировании в свободном газовом объеме мощных акустических полей.
format	Article
author	Заволока, А.Н. Логвиненко, А.И. Свириденко, Н.Ф.
spellingShingle	Заволока, А.Н. Логвиненко, А.И. Свириденко, Н.Ф. Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей Техническая механика
author_facet	Заволока, А.Н. Логвиненко, А.И. Свириденко, Н.Ф.
author_sort	Заволока, А.Н.
title	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей
title_short	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей
title_full	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей
title_fullStr	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей
title_full_unstemmed	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей
title_sort	использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей
publisher	Інститут технічної механіки НАН України і НКА України
publishDate	2011
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88187
citation_txt	Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей / А.Н. Заволока, А.И. Логвиненко, Н.Ф. Свириденко // Техническая механика. — 2011. — № 1. — С. 78-85. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series	Техническая механика
work_keys_str_mv	AT zavolokaan ispolʹzovanieakustičeskihéffektovdlâpovyšeniâénergetičeskojéffektivnostineizotermičeskihsistemnadduvatoplivnyhbakovraketnositelej AT logvinenkoai ispolʹzovanieakustičeskihéffektovdlâpovyšeniâénergetičeskojéffektivnostineizotermičeskihsistemnadduvatoplivnyhbakovraketnositelej AT sviridenkonf ispolʹzovanieakustičeskihéffektovdlâpovyšeniâénergetičeskojéffektivnostineizotermičeskihsistemnadduvatoplivnyhbakovraketnositelej
first_indexed	2025-07-06T15:52:58Z
last_indexed	2025-07-06T15:52:58Z
_version_	1836913450467459072
fulltext	УДК 629.7.0636: 594.29 А.Н. ЗАВОЛОКА, А.И. ЛОГВИНЕНКО, Н.Ф. СВИРИДЕНКО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НАДДУВА ТОПЛИВНЫХ БАКОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ Предложен методический подход к выбору основных параметров неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей при генерировании в свободном газовом объеме мощных акустических полей. Запропонований методичний підхід до вибору основних параметрів неізотермічних систем надду- вання паливних баків ракет-носіїв при генеруванні у вільному газовому обсязі потужних акустичних полів. The methodical approach to the choice of the main parameters of nonisothermic pressurization systems of the LV fuel tanks in generating powerful acoustic fields in the free gas volume is proposed. Система наддува топливного бака (ТБ) предназначена для поддержания в его свободном газовом объеме (СГО) давления, обеспечивающего устойчи- вость тонкостенной конструкции бака и необходимые по условиям эксплуа- тации на различных этапах полета ракеты-носителя (РН) параметры компо- нента топлива (КТ). В настоящее время наибольшее распространение получили неизотерми- ческие системы наддува, осуществляемого подачей в СГО нагретого газа [1, 2]. Это позволяет уменьшить расход газа на наддув, но сопровождается суще- ственными потерями его работоспособности вследствие стратификации и увеличения тепловых потоков в ограничивающие СГО поверхности. Сниже- ние потерь достигается перемешиванием СГО, осуществляемым преимуще- ственно путем подачи газа наддува в виде высокоскоростной струи [1 – 3]. Однако ограниченность дальнобойности стесненной струи нагретого газа и сопутствующая интенсификация ее тепломасообменного взаимодействия с поверхностью жидкого компонента топлива (особенно при значительных уровнях заполнения ТБ) существенно ограничивают возможности этого ме- тода. В связи с этим задача рациональной организации тепломассообменных процессов в СГО, обеспечивающей существенное снижение непроизводи- тельных потерь работоспособности нагретым газом наддува, по-прежнему актуальна. Анализ опыта разработки неизотермических систем наддува (СН), выпол- ненный при их рассмотрении как систем синергетических, показал возмож- ность уменьшения скорости возрастания энтропии в СГО путем соответствую- щего управления потоками вещества и энергии, обеспечивающего формирова- ние низкоскоростных дальнобойных течений газа наддува и, как следствие, снижение тепловых потоков в ограничивающие СГО поверхности [4]. Значительный в этом плане интерес представляют крупномасштабные акустические течения, характеризующиеся значительной дальнобойностью при малой скорости перемещения газа, которые могут быть получены при генерировании в СГО акустических полей путем преобразования кинетиче- ской энергии струи газа наддува в энергию акустических колебаний. Условие формирования таких течений в синергетически активной среде СГО обеспечивается введением в него от внешнего источника потока энер- гии, интенсивность которого определяется соотношением [4]  А.Н. Заволока, А.И. Логвиненко, Н.Ф. Свириденко, , 2011 Техн. механика. – 2011. – № 1. 78 2 4 1 9 2 1 6 k x a VTgrad a Lng L I              , Вт/м2, (1) где – коэффициент вязкости газа в СГО;  1 – плотность газа наддува; – толщина стратифицированного слоя; – коэффициент объемного расшире- ния газа наддува; – осевая перегрузка; L  xn g – ускорение свободного паде- ния; T – температура стратифицированного газа в СГО; – скорость возни- кающего конвективного движения газа в СГО. kV Для характерных значений указанных параметров акустическое течение в СГО наддуваемого нагретым газом топливного бака возникает при 1000 – 10000 Вт/м2 (150 – 160 дБ). aI Крупномасштабные акустические течения классифицируют по их виду: течения рэлеевского типа в поле стоячей волны и течения эккартового типа в поле бегущей волны конечной амплитуды. Анализ архитектурно- акустических характеристик внутреннего пространства ТБ современных РН позволяет сделать вывод о том, что в случае околоосевой локализации доста- точно мощного звукового пучка в килогерцовом диапазоне частот наиболее вероятным будет развитие в оребренном внутреннем пространстве цилинд- рической емкости акустического течения эккартового типа [5]. Особенностью течения является наличие разрыва длиной , т.е. рас- стояния от источника звука, на котором происходит формирование крутого пилообразного переднего фронта волны в процессе нелинейного искажения ее профиля с последующим установлением медленно затухающего течения эккартового типа, подпитываемого импульсом акустической силы на пути распространения звукового пучка. Как показано в [5], протяженность длины разрыва pl   2/1 2/1 0 2/5 0 12 a p IfnL c l    , м, (2) где – скорость звука в невозмущенной среде СГО; 0c 0 – плотность газовой среды в СГО; – частота акустических колебаний; – интенсивность звука; – показатель полинтропы газовой среды СГО. f aI n Время установления акустического течения составляет  ≈ 1с. Начальная скорость эккартового течения определяется выражением [6]    35,0 0 5,0 0 25,1 0 1 1 2,29     c nf rIV aalpx , м/с, (3) где – радиус акустического пучка; – коэффициент динамической вязко- сти газовой среды в СГО; ar   – безразмерная координата aI с V 00 ист 22   , (4) где – скорость истечения газа наддува из акустического газоввода в на- правлении оси топливного бака. истV Для генерирования мощных акустических полей в СГО топливных баков 79 РН могут быть использованы излучатели, работа которых основана на моду- ляции высокоскоростной струи газа наддува: динамические и статические сирены [7]. Хотя достоинством динамических сирен является [6] высокий кпд ( 80 %) и высокая мощность (до десятков кВт), однако очевидно, что для применения в системах наддува предпочтительны газоструйные акустические излучатели без подвижных частей. Их кпд составляет  18 – 25 % при мак- симально достижимом уровне интенсивности звука = 175 – 180 дБ [7]. Следует, однако, иметь в виду, что стержневые газоструйные излучатели яв- ляются точечными источниками звука, в связи с чем для формирования од- нонаправленного вдоль оси бака звукового пучка необходимо использовать специальные рефлекторы (эллиптические, параболические и т.п.). aI Таким образом, из изложенного выше следует, что при работе акустиче- ского газоввода в СГО будет формироваться течение газа наддува, являющее- ся суперпозицией эккартового течения с начальной скоростью и течения затопленной струи, истекающей из газоввода со скоростью 0V * стр ' 0 1 VV , (5) где – скорость газа на входе в акустический излучатель; – кпд акусти- ческого излучателя. стрV * Закон изменения скорости по оси затопленной струи с учетом действия архимедовой силы имеет вид [2]                1 )(2 6,6 )( 2' 0 0' 0 ' n V xgn nx r VxV x , м/с, (6) где T T n  ; T – температура газа наддува на выходе из акустического газов- вода; T – средняя температура газа в СГО; – начальный радиус струи. 0r Дальнобойность струи xnnn r VL   )1( 47,1 5,0 0' 0 ' max , м. (7) Как отмечалось выше и показано в [5 – 8], течение эккартового типа представляет собой регулярное движение газовой среды СГО, инициируемое и подпитываемое импульсом акустической силы на всем пути распростране- ния звукового пучка, причем наиболее интенсивно на участке с пилообразной формой ударной волны, протяженность которого на порядок превышает ха- рактерные размеры топливных баков РН. С учетом изложенного, соотноше- ния для определения скорости на оси струи газа наддува при ее распростра- нении в СГО будут иметь вид: . (8)          ' max ' max ' ' при при)( , при )( LxV LxlVxV lxV xV p p 0 0 0 Соотношения (2) – (8) позволяют определелять структуру и параметры 80 потока газа наддува в СГО бака, обеспечивающего минимальные потери теп- ла в ограничивающие его поверхность жидкого компонента топлива и стенки ТБ. Задача определения тепловых потоков из СГО в жидкий компонент топ- лива относится к классу сопряженных, когда решения необходимо отыски- вать на подвижной, деформируемой с возможностью разрушения поверхно- сти раздела «газ – жидкость». Однако очевидно, что минимальные потоки тепла из СГО в находящийся в ТБ компонент топлива будут соответствовать скорости натекания газа наддува на поверхность жидкости, выбранной из ус- ловия ее неразрушения [2, 4]   5,0 1 34 сго жжx gnV Hx     , м/с, (9) где – высота свободного газового объема ТБ; сгоH жж  , – плотность и ко- эффициент поверхностного натяжения компонента топлива в ТБ. Что касается выбора параметров течения газа наддува в СГО с точки зре- ния обеспечения эффективного перемешивания последнего, то рациональное решение этой задачи является важным этапом проектирования СН при опре- делении требуемого количества газа наддува. Методы подобных расчетов, приведенные в [1 – 3, 9], характеризуются значительной сложностью и недос- таточно эффективны на этапе предварительного выбора условий подачи газа наддува в СГО. В то же время известно, что степень однородности перемешиваемой в емкости среды зависит от кратности ее циркуляции , т.е. «количества объ- емов среды, проходящих через поперечное сечение емкости (в одном направ- лении) под действием перемешивающего механизма» [10]. цK Определяя, в соответствии с указанным подходом, кратность циркуляции газа в свободном газовом объеме как соотношение объемного расхода цирку- ляции к текущему объему СГО, выражение для определения текущего значе- ния можно записать в виде: цK       tсго 2 Б 2 ц 4 HD Vr K a , (10) где tсгоH – высота СГО в момент времени t     2 Б сгосго 4 0t D Q HH ж  , (11) где – расход компонента топлива из бака. жQ Соответствующий уровень неравномерности температурного поля в СГО определяется выражением [10]                 2 ц 2,6 exp K T T , (12) где T – средняя температура газа в СГО. Выражения (9) – (12) позволяют выбрать параметры акустического тече- 81 ния, обеспечивающие заданный уровень температурной однородности газо- вой среды и, следовательно, минимизировать непроизводительные потери тепла (и работоспособности) газа наддува [2, 11]. Одним из путей уменьшения непроизводительных затрат бортовых энер- горесурсов на обеспечение работы неизотермических систем наддува ТБ яв- ляется использование аккумулируемого в поверхностном слое компонента топлива низкопотенциального тепла, плотность потока энергии в котором превышает аналогичный показатель хвостовой части котла тепловой электро- станции [12], для дополнительного подогрева СГО. В традиционных неизотермических СН такой греющий тепловой поток генерируется в виде потока пара за счет необратимого превращения эксергии топлива, расходуемого на получение газа наддува, в анергию [12]. При наличии в СГО мощного акустического поля наряду с указанным выше реализуется принципиально иной механизм генерации греющего пото- ка тепла, когда поток эксергии акустического поля, воздействуя на поверх- ность жидкости, осуществляет функцию теплового насоса [4, 6, 7]. При этом в течение полупериода разрежения в звуковой волне часть жидкости из по- верхностного слоя с температурой испаряется. В течение следующего по- лупериода пар подвергается адиабатическому сжатию с нагревом до темпера- туры и последующим выносом в СГО, где происходит его смешение с ос- новной массой газа, заканчивающееся установлением равновесной темпера- туры 3T 2T T . Условие выгодности использования акустической интенсификации греющего СГО теплового потока из прогретого поверхностного слоя КТ мо- жет быть получено из эксергетического баланса, включающего:  эксергию тепла, поступающего в СГО с газом наддува;  эксергию акустического поля;  эксергию греющего теплового потока;  потери эксергии, обусловленные смешением потока пара и газа в СГО. Такое условное разделение по признаку причинной обусловленности ре- зультатов одновременно протекающих необратимых явлений оправдано тем, что они происходят в различных местах СГО. В соответствии с указанным подходом, выражения, определяющие поток эксергии СГО, при работе традиционной и рассматриваемой систем наддува будут иметь следующий вид [12, 13]:  при струйном наддуве СГО нагретым газом         T T HmE пc 1 0ж  , Вт/м2; (12)  при наличии мощного акустического поля в СГО                                    T P P mR P P mRmm T T TT T N N T T HmE г г п ппп a a пc lnln 11 00 32 2 0   , Вт/м2. (13) 82 Здесь – расходы топлива на генерирование газа наддува в тради- ционной и рассматриваемой СН, соответственно; 0ж , 0 mm  H – теплотворная способ- ность топлива; – кпд, учитывающий местные потери тепла до входа в СГО; n TT , – температуры окружающей среды и СГО, соответственно; – мощность акустического поля; – массовый расход пара; – газовая по- стоянная пара; – газовая постоянная газа наддува; – парциальные давления пара и газа наддува, соответственно; aN пm пR гPгR пP , 0mm m п п    m п  – относитель- ный массовый расход пара; 0 0 0 m  m m m n     – относительный массовый расход газа наддува. В правой части (13) разность первых двух членов определяет эксергию газа наддува, непосредственно вносимую в свободный газовый объем; второй член определяет эксергию потока пара и третий член – эксергию смешения потока пара с основной массой газа, находящегося в СГО. Условием выгодности целенаправленной интенсификации генерирования греющего потока тепла акустическим полем является равенство работоспо- собностей свободных газовых объемов сравниваемых систем при уменьше- нии затрат топлива для непосредственного производства газа наддува, т.е. , (14) aEE  0 . (15) 00ж 0  mmm  Из (12) – (15) следует                                          г г п пп n п a P P mR P P mR T T H T T TTT T H N m lnln 11 1 0 32 2   . (16) Полагая  0 и учитывая, что в акустическом поле пар претерпевает адиабатическое сжатие, т. е., что T n n k k a a PP PP TT 1 32 0 0 ~ ~             , (17) где – показатель адиабаты пара; nk 0 ~ aP – эффективное (действующее) значение амплитуды давления акустической волны, из (16) можно получить, что 83                                   1 1 1 1 0 01 n n k k гa a n a cIP cIP H N m . (18) В выражении (18) учтено, что для плоской акустической волны [7] 010 ~ cIP aa  . (19) Таким образом, условием эффективности акустического генерирования греющего теплового потока будет соотношение             1 1 01 01 n n k k a a cIP cIP . (20) При этом скорость испарения с озвучиваемой поверхности жидкости мо- жет быть определена по эмпирическому выражению [6] 0исписп )140( mNm a   , (21) где – скорость испарения в отсутствие акустического поля; – уро- вень звукового давления, дБ. 0испm aN Таким образом использование явлений, обусловленных генерированием в СГО мощных акустических полей, может быть эффективным методом улуч- шения энергетических характеристик неизотермических систем наддува ТБ ракет-носителей за счет:  формирования низкоскоростных дальнобойных течений, интенсифици- рующих перемешивание стратифицированной газовой среды в СГО и обеспе- чивающих уменьшение потерь тепла в ограничивающие его поверхности;  утилизации низкопотенциального тепла, аккумулируемого в поверхно- стном слое компонента топлива, путем трансформации его в греющий СГО поток тепла;  уменьшения температуры поверхностного слоя компонента топлива и, как следствие, остатков незабора. Расчетные оценки основных характеристик неизотермической системы наддува топливного бака РН, выполненные для характерных значений гео- метрических характеристик бака и параметров компонента топлива и газа наддува, подтвердили принципиальную возможность 20 – 30 % снижения расхода газа при генерировании в СГО акустического пучка с интенсивно- стью звука 160 – 170 дБ, направленного вдоль оси бака. При этом отмечен более стабильный, чем при традиционном струйном наддуве, характер изме- нения давления в процессе опорожнения бака. В заключение отметим возможность оптимизации энергетической эффек- тивности рассматриваемой СН путем варьирования распределением энергии газа наддува по каскадам ее преобразования во внутрибаковом пространстве в зависимости от конкретных характеристик компонентов топлива, газа над- 84 85 дува, конструктивных особенностей газоввода, акустического излучателя ТБ и условий эксплуатации РН. 1. Беляев Н. М. Системы наддува топливных баков ракет / Н. М. Беляев. – М. : Машиностроение, 1976. – 336 с. 2. Козлов А. А. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок / А. А. Козлов, В. Н. Новиков, Е. В. Соловьев. – М. : Машиностроение, 1988. – 352 с. 3. Кендел Д. В. Влияние перемешивания в подушке на характеристики системы наддува баков / Д. В. Кен- дел // Вопросы ракетной техники. – 1971. – № 6. – С. 22 – 25. 4. Будник В. С. Обобщенный энергетический подход к организации тепломассообменных процессов в сво- бодном газовом объеме топливных баков жидкостных ракет / В. С. Будник, Ю. Ф. Даниев, Н .Ф. Свириденко // Техническая механика. – 1998. – Вып. 7. – С. 96 – 106. 5. Козлов Е. В. Перемешивание стратифицированного газа в емкости с жидкостью в акустическом поле конечной амплитуды / Е. В. Козлов // Гидродинамика и тепломассообмен в многофазных потоках. – Ха- рьков, ХАИ, 1989. – С. 92 – 99. 6. Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах / Б. Г. Новицкий. – М. : Химия, 1983. – 192 с. 7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Глав. ред. И. П. Голямина. – М. : Советская энциклопедия , 1979. – 400 с. 8. Руденко О. В. Теоретические основы нелинейной акустики / О. В. Руденко, С. И. Солуян. – М. : Наука, 1975. – 288 с. 9. Дрегалин А. Ф. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергоустановках / А. Ф. Дрегалин, И. А. Зенуков, В. Г. Крюков, В. И. Наумов. – Казань : Изд. Казанского университета, 1985. – 264 с. 10. Васильцов Э. А. Аппараты для перемешивания жидких сред / Э. А. Васильцов, В. Г. Ушаков. – Л. : Ма- шиностроение. 1979. – 272 с. 11. Мотулевич В. П. Исследование струйного вдува газа в емкость / В. П. Мотулевич, Э. Д. Сергиевский, А. А. Козлов и др. // Изд. ВУЗов. Авиационная техника. – 1988. – № 1. – С. 60 – 63. 12. Янтовский Е. И. Потоки энергии и эесергии / Е. И. Янтовский. – М. : Наука, 1988. – 144 с. 13. Шаргут Л. Эксергия / Л. Шаргут, Р. Петела. – М. : Энергия, 1968. – 280 с. 14. Варшавский И. Л. Об организации многокаскадных систем преобразования энергии / И. Л. Варшавский, А. С. Куценко, И. В. Стрелков // Самолетостроение. Техника воздушного флота. – 1978. – Вып. 44. – С. 117 – 119. Институт технической механики Получено 20.07.10, НАН Украины и НКА Украины, в окончательном варианте 02.02.11 ГП «Конструкторское бюро «Южное» им. академика М. К. Янгеля», г. Днепропетровск

Использование акустических эффектов для повышения энергетической эффективности неизотермических систем наддува топливных баков ракет-носителей

Репозитарії

Схожі ресурси