Отдел термогазодинамики энергетических установок

Завотделом - д-р техн. наук, профессор Н.Д.Коваленко

Завотделом д-р техн. наук, профессор Коваленко Н.Д. Область исследований - термогазодинамика и тепломассообмен в ракетно-космических двигателях; термогазодинамические процессы в теплоэнергетическом и технологическом оборудовании

Исследования и основные результаты в области ракетно-космических двигателей

Управление газовыми потоками. Получены фундаментальные результаты по управлению сверхзвуковым потоком традиционных и новых типов сопел ракетных двигателей (РД), в частности возмущением давления, и аэродинамическим силам, возникающим на обтекаемой поверхности при взаимодействии сверхзвукового потока с дискретными и распределенными источниками массы и тепла, жидкими и газовыми струями, твердыми препятствиями, технологическими несовершенствами и эрозионными уносами на обтекаемой поверхности. Результаты исследования закономерностей взаимодействия сверхзвукового потока с упомянутыми выше управляющими воздействиями позволили разработать методики расчета локальных и интегральных импульсных статических и динамических характеристик процесса. Методики расчета базируются на теоретических разработках и многочисленных экспериментальных данных, полученных с использованием созданных в ИТМ уникальных стендов в составе: испытательного комплекса с высокими давлением и расходом (ИКВДР), исследовательского комплекса газодинамически управляемых потоков (ИКГДУ), испытательного комплекса моделей твердотопливных двигателей (ИКРДТТ). Стенды позволяют измерять параметры взаимодействия потоков и интегральные боковые силы, возникающие на обтекаемой газовым потоком поверхности. Полученные результаты исследований создали фундаментальную научную базу для разработки ряда новых технических решений по регулированию вектора тяги традиционных и новых типов сопел ракетных двигателей, работающих на жидких, твердых и газообразных топливах, более 50 из которых защищены авторскими свидетельствами или патентами на изобретения.

Управление сверхзвуковым потоком в сопле ракетного двигателя Управление потоком в кольцевом сопле

ИКВДР ИКГДУ ИКРДТТ

Исследовательские комплексы по изучению процессов в энергетических установках

Разработки и исследования по управлению вектором тяги двигателя вдувом газа в сопло. Большинство результатов разработок и исследований по управлению сверхзвуковым потоком ракетных двигателей получены отделом в тесном сотрудничестве с ГП «КБ «Южное» применительно к созданию систем управления вектором тяги (УВТ) ракетного двигателя с целью управления полетом ракет и космических аппаратов. Системы УВТ ракетных двигателей путем инжекции в сверхзвуковую часть сопла продуктов сгорания основных ракетных топлив успешно применены ГП «КБ «Южное» в ряде жидкостных и твердотопливных ракетных двигателей (15Д12, 15Д169, 11Д25, 3Д65, 15Д206). Отдел осуществлял научное сопровождение на всех этапах отработки этих двигателей, включая летные испытания. Применение жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с дожиганием в камере сгорания выхлопного турбинного газа и с системой УВТ, основанной на регулируемом вдуве в сверхзвуковую часть сопла генераторного газа, отбираемого за турбиной турбонасосного агрегата двигателя (15Д169), а также ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) со вдувом в сопло камерного газа (3Д65), созданных впервые в практике ракетостроения, позволило создать ступени ракет, непревзойденные до настоящего времени по высокому уровню энергомассовых, динамических, габаритных и эксплуатационных характеристик. В процессе научного сопровождения создания упомянутых двигателей исследованы статические, динамические, тепломассообменные и эксплуатационные характеристики систем УВТ и двигателя в целом как объекта регулирования; разработаны методы расчетов и рекомендации по проектированию и отработке. В процессе дальнейших исследований и разработок предложены новые способы, схемы и устройства регулирования вектора тяги двигателей ступеней ракет-носителей и разгонных блоков космических аппаратов.

РД 15Д169 РД 3Д65

Системы управления вектором тяги ЖРД, основанные на инжекции в сверхзвуковую часть сопла компонента топлива. Получены результаты теоретических, проектно-поисковых и экспериментальных исследований по управлению сверхзвуковым потоком сопел ЖРД без дожигания в камере сгорания выхлопного турбинного газа. Подавляющее большинство исследований выполнено применительно к двигателям верхних ступеней ракет (типа РД 11Д25, РД 861К) и разгонных блоков космических аппаратов, для которых характерны высокие степени расширения газа в сопле. Разработаны и исследованы новые способы и устройства повышения экономичности двигателя и системы управления вектором тяги. Испытаниями упомянутых систем УВТ в составе опытных конструкций ЖРД и РДТТ на экспериментальной базе ГП «КБ «Южное» подтверждена их работоспособность и высокие энергомассовые характеристики.

РД 11Д25 РД 861К

В результате проведенных теоретических и проектно-поисковых исследований показано, что наибольшие преимущества имеют системы УВТ ЖРД с впрыском в сопло окислительного компонента топлива, в частности через выдвигаемый в поток твердый интерцептор. Установлено, что имеются оптимальные соотношения для размеров твердого интерцептора и расхода жидкого компонента, инжектируемого в сверхзвуковую часть сопла. Разработаны методики определения оптимальных размеров интерцепторных устройств, параметров их взаимодействия с набегающим сверхзвуковым потоком, импульсных, энергомассовых, динамических и эксплуатационных характеристик. Показано, что наибольшие преимущества имеют системы впрыска в сопло окислительного компонента топлива в составе ЖРД с выхлопом отработанного на турбине газа в сверхзвуковую часть сопла. Разработаны новый способ и устройство дожигания выхлопного турбинного газа в сверхзвуковой части сопла (патент Украины). Предложены принципиальные схемы устройств, обладающие высокими потенциальными возможностями повышения энергомассовых и габаритных характеристик двигательной установки, надежности и быстродействия системы регулирования вектора тяги двигателя (патенты Украины). Продолжаются разработки и исследования рабочих процессов, импульсных и массорасходных характеристик ДУ сверхплотной компоновки, устройств интенсификации и совершенствования процессов дожигания выхлопного газа турбины и управления вектором тяги.

РД с дожиганием и УВТ Плотная компоновка ЖРДУ

Исследования нестационарных тепломассообменных процессов в ЖРД. Важные для науки и практики результаты получены в области гидрогазодинамики и нестационарного тепломассообмена в многослойных конструкциях сложной формы, каналах переменного сечения с двухфазным потоком жидкости и газа, позволившие разработать методики расчетов и рекомендации по обеспечению оптимальных тепловых режимов и параметров ЖРД с многократным запуском в период его выключения.

Исследование теплообмена

Исследования по совершенствованию энергетических и габаритномассовых характеристик РДТТ. Разработана математическая модель и исследован РДТТ со вдувом камерного газа в сверхзвуковую часть сопла как объекта регулирования. Показаны возможность и целесообразность программного регулирования секундного расхода топлива (осевой тяги) двигателя штатными органами регулирования боковых сил, управляющих полетом ракеты по каналам тангаж, рыскание и крен. Разработан регулятор расхода газа в сопло клапанного типа с мягкой герметичной посадкой клапана на седло. Использование упомянутых решений для маршевого РДТТ позволяет расширить функциональные возможности и повысить энергетические характеристики в целом двигателя и системы УВТ.

Новые сопла

Показано, что в условиях жестких габаритных ограничений для плотных компоновок твердотопливных многоступенчатых ракет, работающих на металлизированном топливе, оптимальными будут новые конфигурации сопел, имеющие преимущества по габаритным и массовым характеристикам. Разработаны новые конструктивные схемы и программно-методическое обеспечение для расчета характеристик тарельчатого сопла, показана перспективность разработанной в ИТМ схемы тарельчатого сопла с проточным центральным телом, позволяющим сократить продольные габариты сопла и обеспечить управление вектором тяги двигателя, как по величине, так и по направлению.

Разработки и исследования детонационных ракетных двигателей твердого топлива (ДРДТТ). Обоснованы возможность и целесообразность разработки и эффективного использования перспективных двигателей с управляемым детонационным горением топлива в ракетной технике и ряде других объектов. Для проведения исследований были разработаны экспериментальные образцы, создана уникальная экспериментальная база и проведено более 200 испытаний ДРДТТ разных схем. Подтверждена высокая эффективность устройств с детонационным горением топлива.

ДРДТТ

Исследование процессов в теплоэнергетическом и технологическом оборудовании

Исследование новых технологий сжигания низкосортных углей. В 80-е годы ГП «КБ «Южное» по заказу Карагандаэнерго был разработан комплект оборудования для сжигания кускового угля в топке с циркулирующим кипящим слоем, состоящий из подовой решетки и золоулавливателя-возвратника, не имеющие аналогов. Для совместной разработки этих агрегатов при организационной, технической и финансовой поддержке ГП «КБ «Южное» были созданы на экспериментальной базе ИТМ специальные стенды «Кипящий слой» и «Циклон». В процессе научного сопровождения этих работ разработаны: новая подовая решетка лопаточно-щелевого типа (авторское свидетельство), обеспечивающая устойчивый кипящий слой (КС) в зоне горения топлива, и усовершенствованный золоулоуловитель-возвратник уносимого недожога в топку. Исследованиями усовершенствованной подовой решетки получены новые данные о параметрах КС при разных режимах дутья и положениях направляющих лопаток решетки, о влиянии геометрических характеристик решеток на равномерность и устойчивость КС, на гидродинамическое сопротивление решетки и КС, на характеристики начального периода формирования КС. В кипящем слое над лопаточно-щелевой решеткой при частичной загрузке топлива экспериментально обнаружено существование диффузорного эффекта, ведущего к неустойчивости КС. Для кипящего слоя в ограниченном объеме над лопаточно-щелевой решеткой с наклонными лопатками установлен факт продольного перемещения слоя над решеткой и доказана возможность создания кипящего поточного слоя при сжигании низкосортных углей. Было обнаружено, что двухфазный поток образует завалы частиц перед входом в циклон, поступивший на отработку из «КБ «Южное», и имеет небольшую относительную массу улавливаемых частиц. Усовершенствование конструкции циклона позволило увеличить относительную улавливаемую массу с 70 до 95%. В процессе дальнейших исследований был предложен новый способ организации процесса над подовой решеткой с газодинамической транспортировкой и выгрузкой золошлаковых отходов (патент Украины). Предложено решение по устранению диффузорного эффекта, ведущего к неустойчивости фонтанирующего слоя при транспортировке топлива (патент Украины). Разработаны методики расчета параметров лопаточно-щелевой подовой решетки. Совместно с ГП «КБ «Южное» на экспериментальной базе ИТМ (стенд «Эмульгатор») исследованы процессы тонкой очистки дымовых газов с использованием гидродинамического улавливающего устройства, названного эмульгатором. Выполнены исследования многочисленных конструктивных и режимных параметров, влияющих на тонкость и экономичность процесса очистки. Определены оптимальные гидродинамические, геометрические, конструктивные и режимные параметры эмульгаторных устройств тонкой очистки дымовых газов. Полученные результаты по усовершенствованию топки для сжигания угля и очистке дымовых газов использованы при модернизации теплоэлектростанций Карагандаэнерго, Алма-Атаэнерго, в Украине на Мироновском ГРЭС и др.

Модель лопаточной подовой решетки

Исследование новых типов устройств сжигания газообразных и жидких топлив. В результате поисковых экспериментальных и теоретических исследований были разработаны новые способы и устройства сжигания различных топлив, базирующиеся на организованном пульсирующем режиме горения и при этом обеспечивающие экономические, экологические и эксплуатационные преимущества по сравнению с существующими. Были разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы ряда газогорелочных устройств, модели устройств для безраспылительного сжигания жидкого топлива (мазута или соляра). Экспериментальные исследования горелочных устройств проводились на стендах, созданных в ИТМ (стенд «Теплоаппарат»), и на экспериментальной базе ГП «КБ «Южное». В процессе проведенных исследований были разработаны, изготовлены и испытаны экспериментальные образцы горелочных устройств с повышенными экологическими и энергетическими характеристиками, в частности: для ОАО «Азот» (мощностью 2100 кВт) применительно к камере сгорания системы подогрева нитрозного газа при производстве азотной кислоты; ОАО «Баглейкокс» (мощностью 2100 кВт); ОАО «Гордорремстрой» (мощностью 750 кВт) и др.

Газогорелочное устройство

Исследование технологии газоструйного измельчения. Экспериментальные исследования процесса газоструйного измельчения проводились в ИТМ на экспериментальных установках УСИ-02 и УСИ-20 с производительностью по готовому продукту 0,2 кг/час и 20 кг/час, соответственно. Определены предпочтительные режимы газоструйного измельчения на холодном энергоносителе для получения сверхтонких порошков из материалов с различными физическими свойствами, в том числе вязких и пластичных. В результате исследований износа разгонных трубок инжектора газоструйного измельчителя была создана и испытана новая конструкция инжектора на основе схемы сверхзвукового кольцевого сопла тарельчатого типа, при использовании которого резко снижается эрозия стенки разгонной трубки. Исследования акустических характеристик процесса газоструйного измельчения показали, что акустическая активность измельчителя имеет существенную корреляционную связь с режимными параметрами процесса: производительностью измельчителя; температурой и давлением энергоносителя. Разработана методика акустического мониторинга и создана база данных акустических параметров, позволяющие определить оптимальные технологические параметры струйного измельчения для достижения заданной дисперсности продукта.

УСИ-20 Мониторинг процесса измельчения

Разработаны имитационная, динамическая и стохастическая модели тонкого измельчения и ячеечная модель измельчения материала на основе результатов акустического мониторинга процесса, которые идентифицируют режимы измельчения и позволяют выбирать оптимальные. Разработан новый метод оптимизации технологии струйного измельчения, который отличается использованием явления акустической эмиссии при разрушении твердых тел для мониторинга процесса измельчения; впервые получены теоретические и экспериментальные зависимости, которые характеризуют связь удельной поверхности, гранулометрического состава измельчаемого материала, производительности мельницы с акустическими параметрами процесса измельчения, что позволило разработать принципы оптимизации струйного измельчения.

Разработаны методы визуализации и идентификации процесса измельчения на основе использования информационных технологий для анализа акустоэмиссионных сигналов зоны измельчения и классификации, позволяющие контролировать режимы работы мельницы и выбирать оптимальную ее загрузку.

Имитационная модель замкнутого цикла измельчения Визуализация сигналов

Разработаны бесконтактные способы контроля процесса и качества продукта тонкого измельчения, которые защищены патентами Украины на изобретение, повышающие существенным образом производительность мельницы, точность оценок и сокращающие время исследований. Проводятся исследования по определению гранулометрического состава сыпучих материалов в потоке энергоносителя и в продуктах струйного измельчения. Полученные результаты позволяют контролировать качество продуктов, крупность их частиц без остановки технологического процесса.

Установка "Гранулометр"

За «Разработку научных основ газодинамической системы управления вектором тяги РДТТ посредством вдува камерного газа в сверхзвуковую часть сопла» Н. Д. Коваленко в составе авторского коллектива присуждена в 1987 г. Государственная премия УССР. За работу «Исследование термогазодинамических высокоэтальпийных потоков и разработка энергетических установок, обеспечивающих высокие характеристики летательных аппаратов» коллективу авторов в составе д-ра техн. наук Н. Д. Коваленко, д-ра техн. наук С. Н. Конюхова, д-ра техн. наук В. И. Кукушкина присуждена премия НАН Украины им. М. К. Янгеля. В 1998 г. Н. Д. Коваленко за весомый вклад в развитие науки и техники присуждено почетное звание «Заслуженный деятель науки и техники Украины».

Результаты исследований регулярно публикуются. Более 100 разработок отдела защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, некоторые разработки отмечены дипломами ВДНХ. Часть результатов отдела обобщена в ряде монографий, в том числе:

  1. Коваленко Н. Д. Нестационарные тепловые процессы в энергетических установках летательных аппаратов / Н. Д. Коваленко и др. - Киев : Наукова думка, 1988. - 224 с.
  2. Коваленко Н. Д. Управление сверхзвуковыми газовыми потоками в реактивных соплах / Н. Д. Коваленко. - Киев : Наукова думка, 1992. - 208 с.
  3. Коваленко Н. Д. Газодинамика сверхзвуковых укороченных сопел / Н. Д. Коваленко и др. - Киев : Наукова думка, 1993. - 224 с.
  4. Стрельников Г. А. Регулируемые сверхзвуковые сопла малой длины / Г. А. Стрельников. - Днепропетровск : Государственный университет, 1993. - 30 с.
  5. Коваленко Н. Д. Ракетный двигатель как исполнительный орган системы управления полетом ракеты / Н. Д. Коваленко. - Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2004. - 412 с.
  6. Прядко Н.С. Акустические исследования струйного измельчения / LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2013. - Saarbrucken, Germany. - 172 c.
СЛУЖЕБНЫЙ АДРЕС:
Институт технической механики, 15, ул.Лешко-Попеля,
49600, г.Днепр, Украина
НОМЕР ТЕЛЕФОНА:
+38-056-372-06-45
E-MAIL:
office.itm@nas.gov.ua

© 2001 - 2017 Институт технической механики НАНУ и ГКАУ