Відділ термогазодинаміки енергетичних установок

Заввідділом – д-р техн. наук, професор Стрельников Г. О.

Заввідділом д-р техн. наук, професор Стрельников Г. О. Область досліджень - термогазодинаміка і тепломасообмін в ракетних двигунах, теплоенергетичному та технологічному обладнанні; механізми, моделі й методи досліджень характеристик керування газовими потоками у ракетних двигунах й елементах газоструминного технологічного обладнання; розширення функціональних можливостей та поліпшення характеристик систем керування вектором тяги ракетних двигунів і процесом подрібнення сипучих матеріалів.

Керування вектором тяги ракетного двигуна

Виявлено фундаментальні механізми обурення надзвукового потоку дискретними та розподіленими джерелами маси і тепла, рідкими і газовими струменями, твердими перешкодами, технологічними недосконалостями й ерозійними виносами на обтічній поверхні. Розроблено методики розрахунку локальних і інтегральних, статичних і динамічних характеристик процесу керування газовим потоком в соплі ракетного двигуна. Методики базуються на теоретичних розробках і експериментальних даних, отриманих на створених в ІТМ унікальних дослідних комплексах. Дослідження обурення надзвукового потоку на моделях і натурних двигунах підтвердили розроблені фізичні та математичні моделі. Отримані результати досліджень створили наукову базу для розробки нових технічних рішень з керування вектором тяги традиційних і нових типів сопел ракетних двигунів, що працюють на рідких, твердих та газоподібних паливах.

Дослідження з керування надзвуковим потоком ракетних двигунів проводилися в тісній співпраці з ДП "КБП". Системи керування вектором тяги ракетних двигунів інжекцією в над-звукову частину сопла продуктів згоряння палива застосовані ДП "КБП" в ряді рідинних і твердопаливних ракетних двигунів, зокрема ЖРД 15Д12, 15Д169, 11Д25, РДТТ 3Д65, 15Д206.

Збурення потоку в соплі вдувом газу Інтегрування збуреного тиску

У процесі наукового супроводу їх створення досліджено статичні, динамічні, тепломасообмінні й експлуатаційні характеристики систем керування вектором тяги і двигуна в цілому (як об'єкта регулювання), розроблено методи розрахунків і рекомендації з проектування і відпрацювання подібних двигунів. Розроблено математичну модель РДТТ зі вдувом камерного газу в надзвукову частину сопла як об'єкта регулювання. Показано можливість і доцільність програмного регулювання секундної витрати палива двигуна штатними органами керування бічними силами (клапанами вдуву), що дозволяє розширити функціональні можливості РДТТ і підвищити його енергетичні характеристики.

Створені вперше в практиці ракетобудування, ці двигуни дозволили розробити ступені ракет, неперевершені до теперішнього часу за високим рівнем енергомасових, динамічних, габаритних і експлуатаційних характеристик.

Здійснювалося наукове супроводження на всіх етапах відпрацювання зазначених двигунів, включаючи льотні випробування. Зокрема, результати досліджень газодинамічного керування вектором тяги були використані при розробці висновку державної комісії з визначення причин аварійного льотно-конструкторського випробування РРД 11Д25 РН "Циклон-3" №40 Л.

У подальших дослідженнях за даним напрямком запропоновано нові способи, схеми й пристрої керування вектором тяги рідинних ракетних двигунів ступенів ракет-носіїв і розгінних блоків космічних апаратів відносно двигунів верхніх ступенів ракет (типу РД11Д25, РД861К) і розгінних блоків космічних апаратів, для яких характерні високі ступені розширення газу в соплі.

Розроблено нову концепцію керування вектором тяги ракетного двигуна - комбінацією механічної (хитанням двигуна або сопла) і газодинамічної (обуренням надзвукового потоку в соплі двигуна) систем. Перевагою нової концепції є можливість створення необмеженої величини програмного керуючого зусилля і парирування з великою частотою невеликих за величиною збурень польоту практично без втрат питомої імпульсу двигуна. При цьому істотно збільшується надійність системи керування (за рахунок дублювання). Розроблено нову концепцію керування вектором тяги ракетного двигуна - комбінацією механічної (хитанням двигуна або сопла) і газодинамічної (обуренням надзвукового потоку в соплі двигуна) систем. Перевагою нової концепції є можливість створення необмеженої величини програмного керуючого зусилля і парирування з великою частотою невеликих за величиною збурень польоту практично без втрат питомої імпульсу двигуна. При цьому істотно збільшується надійність системи керування (за рахунок дублювання).

Розроблено рішення зі збільшення щільності компонування космічної ступені ракети, енергомасових характеристик і надійності висотного насадка сопла шляхом застосування додаткових баків, що скидаються, і газодинамічного керування вектором тяги двигуна (обуренням надзвукового потоку в соплі двигуна).

Показано перевагу керування вектором тяги вприскуванням в сопло окислювального компонента палива, зокрема через твердий інтерцептор, що висувається в потік. Працездатність нових схем і конструкцій інтерцепторних пристроїв підтверджено їх продуваннями на холодному повітрі і вогневими випробуваннями в складі РРД і РДТП.
Щільна компоновка космічної ступені РДТП з дзвіноподібною насадкою й інтерцептором Двигун після вогневих випробувань

Нові конфігурації сопел

Показано, що в умовах жорстких габаритних обмежень для щільних компоновок твердопаливних багатоступеневих ракет, які працюють на металізованому паливі, оптимальними будуть нові конфігурації сопел. Розроблено нові конфігурації сопел і програмно-методичне забезпечення для розрахунку їхніх характеристик. Показано перспективність розробленої в ІТМ схеми тарілчастого сопла з проточним центральним тілом, що дозволяє скоротити поздовжні габарити сопла та забезпечити керування вектором тяги двигуна, як за величиною, так і за напрямком.
Таріль с інтерцептором Тарілчасте сопло Тарілчасте сопло з протоковим центральним тілом
Газодинамічний насадок
Тарілчасте сопло
Еластичне сопло

Важливі результати отримано в області гідрогазодинаміки та нестаціонарного тепломасообміну в багатошарових конструкціях складної форми і каналах змінного перерізу з двофазним потоком рідини й газу, на базі яких розроблено методики, проведено розрахунки та розроблено рекомендації щодо забезпечення оптимальних теплових режимів і параметрів рідинних ракетних двигунів з багаторазовим запуском в період його виключення.

Розроблено та досліджено принципово нові ракетні двигуни з детонаційним процесом горіння палива в камері. Показано переваги детонаційних пристроїв для вирішення нових завдань в ракетно-космічній та інших областях техніки, зокрема для підвищення ефективності керування вектором тяги при вирішенні різних прикладних питань відділення і відведення обтічника ступені ракети, генерування робочого тіла для систем керування космічним апаратом, послідовно вигоряючої конструкції багатоступінчастої ракети та ін.
Випробування ДРДТТ

Технологічні процеси

На експериментальній базі ІТМ спільно з ДКБ "Південне" створено спеціальні стенди "Киплячий шар", "Циклон", "Емульгатор" та досліджено процеси спалювання кускового вугілля в топці з циркулюючим киплячим шаром. Запропоновано нові способи організації процесу над подовою решіткою з газодинамічним транспортуванням і вивантаженням золошлакових відходів щодо усунення дифузорного ефекту, що веде до нестійкості фонтануючого шару при транспортуванні кускового вугілля.
Подова решітка Емульгатор

Досліджено процеси тонкого очищення димових газів з використанням гідродинамічного вловлючого пристрою "Емульгатор". Визначено оптимальні гідродинамічні, геометричні, конструктивні і режимні параметри емульгаторних пристроїв. Отримані результати щодо вдосконалення топки для спалювання вугілля й очищення димових газів використано при модернізації теплоелектростанцій Карагандаенерго, Алма-атаенерго, в Україні на Миронівському ГРЕС та ін. Газова горілка

Розроблено нові способи й пристрої спалювання різних палив, які базуються на організованому пульсуючому режимі горіння, що забезпечують економічні, екологічні та експлуатаційні переваги в порівнянні з існуючими. Експериментальні дослідження пальників проводилися на стендах, створених в ІТМ (стенд "Теплоапарат"), і на експериментальній базі ДП "КБП". Розроблено, виготовлено і випробувано експериментальні зразки пальникових пристроїв для: ВАТ "Азот" - відносно камери згоряння системи підігріву нитрозного газу при виробництві азотної кислоти; ВАТ "Баглійкокс"; ВАТ "Гордорремстрой" та ін.

Розроблено балансову, імітаційну, динамічну, стохастичну моделі тонкого подрібнення сипучих матеріалів для ідентифікації технологічних режимів подрібнення й підвищення ефективності процесу. Розроблено коміркову математичну модель процесу на основі ланцюгів Маркова на базі результатів акустичного моніторингу. Встановлено акустичні параметри ефективності й критерій оптимальності роботи струминного млина. Показано можливість проведення оптимізації струминного подрібнення мінеральної сировини на основі результатів акустичного моніторингу процесу. Розроблено методи візуалізації й оптимізації подрібнення з використанням інформаційних технологій. Це дозволило досягти необхідних технологічних показників при зниженні енергоспоживання і дотриманні контрольної дисперсності. Обґрунтовано спосіб контролю дисперсності матеріалу на основі акустичного моніторингу процесу. Розроблено установку "Гранулометр" для визначення гранулометричного складу матеріалів в потоці енергоносія. Розроблена методика контролю якості подрібненого продукту значно (у 30 разів) прискорює процес визначення крупності готового продукту, дозволяє підвищити якість готового продукту та зменшити споживання електроенергії при виключенні повторної переробки. Всі дослідження пройшли перевірку у промислових умовах Вільногірського гірничо-металургійного комбінату.

Отримані результати базуються на теоретичних дослідженнях і експериментах на базі ІТМ НАН і ДКА України, що включає дослідницькі комплекси термогазодинаміки ракетних двигунів і технологічних процесів: високих витрат і тиску; газодинаміки керованих потоків; детонаційних пристроїв; газоструминного подрібнення транспортування і сушки сипучих матеріалів; тепломасообміну.

Комплекси дослідження об'єктів ракетно-космічної техніки
Високих витрат і тиску повітря Газодинаміки керованих потоків
Детонаційних пристроїв

Комплекси дослідження технологічних процесів
Газоструминне подрібнення сипучих матеріалів Транспортування, сушіння сипучих матеріалів "Теплоапарат"

На базі результатів досліджень розроблено нові технічні рішення, понад 100 з яких захищено авторськими свідоцтвами і патентами на винаходи.

Слід підкреслити великий внесок в проведені дослідження колишнього завідувача Коваленка Миколи Дмитровича, який керував відділом у 1971-2017 роках. Коваленко М. Д. - лауреат Державної премії України за розробку основ газодинамічної системи керування вектором тяги РДТТ; лауреат премії НАН України ім. М.К. Янгеля за розробку енергетичних установок, що забезпечують високі характеристики літальних апаратів. Заслужений діяч науки і техніки України, кавалер ряду медалей і орденів.

Сучасна експериментальна база відділу термогазодинаміки енергетичних установок

Експериментальна база відділу включає 5 діючих стендів для вивчення проблем двигунобудування та 2 діючих стенда для проведення досліджень технологічних процесів:

Існуючі та заплановані експериментальні установки дозволяють в повному обсязі вивчати проблеми двигунобудування та особливості технологічних процесів. Подібні окремі установки використовуються за кордоном, однак комплексу, який дозволяв би вивчати різні типи детонаційних двигунів та технологічних процесів, немає ніде. Це ще раз підкреслює унікальність випробувальної бази інституту та важливість її підтримки в робочому стані.

Частина результатів відділу узагальнена в ряді монографій, в тому числі:

  1. Коваленко Н.Д. Возмущения сверхзвукового потока при массотеплоподводе. Киев: Наукова думка, 1980. - 224 с.
  2. Коваленко Н. Д. Нестационарные тепловые процессы в энергетических установках летательных аппаратов / Н. Д. Коваленко и др. - Киев : Наукова думка, 1988. - 224 с.
  3. Коваленко Н. Д. Управление сверхзвуковыми газовыми потоками в реактивных соплах / Н. Д. Коваленко. - Киев : Наукова думка, 1992. - 208 с.
  4. Коваленко Н. Д. Газодинамика сверхзвуковых укороченных сопел / Н. Д. Коваленко и др. - Киев : Наукова думка, 1993. - 224 с.
  5. Стрельников Г. А. Регулируемые сверхзвуковые сопла малой длины / Г. А. Стрельников. - Днепропетровск : Государственный университет, 1993. - 30 с.
  6. Коваленко Н. Д. Ракетный двигатель как исполнительный орган системы управления полетом ракеты / Н. Д. Коваленко. - Днепропетровск : ИТМ НАНУ и НКАУ, 2004. - 412 с.
  7. Прядко Н.С. Акустические исследования струйного измельчения / LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2013. - Saarbrucken, Germany. - 172 c.
СЛУЖБОВА АДРЕСА:
Інститут технічної механіки, 15, вул.Лешко-Попеля,
49600, м.Дніпро, Україна
КОНТАКТНА ОСОБА:
ПРЯДКО Н.С.
НОМЕР ТЕЛЕФОНУ:
(056) 373 29 95
E-MAIL:
office.itm@nas.gov.ua

© 2001 - 2022 Інститут технічної механіки НАНУ і ДКАУ