Определение локального коэффициента теплоотдачи с использованием модели температурного пограничного слоя с конвективной составляющей в полостях вращения ТНА ЖРД

Abstract

Учет особенностей теплоотдачи в проточных частях турбонасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) является важной задачей. Сопряженная задача течения с теплообменом, в том числе и при вращательных течениях в элементах проточных частей ТНА ЖРД, решается с помощью следующих подходов: численные методы, аналитическое совместное решение уравнений движения и энергии и использование эмпирических уравнений. Наличие теплообмена значительно влияет на рабочие характеристики ТНА ЖРД. При проектировании проточных частей узлов и агрегатов ТНА ЖРД важно учитывать влияние теплообмена и как следствие - температуры потока рабочего тела по длине проточного тракта, в связи с тем, что вязкость напрямую зависит от температуры и определяет потери и режим течения. В агрегатах подачи, особенно при использовании криогенных компонентов топлива, незначительный подогрев рабочего тела может привести к вскипанию компонентов и падению рабочих характеристик. С другой стороны, недостаточная (нерасчетная) температура компонента в проточной части для некоторых видов рабочих тел (например гелеобразных компонентов) приводит к повышенной вязкости и снижению КПД агрегата. При исследовании задачи вращательных течений с теплообменом необходимо совместное решение уравнений движения и энергии в граничных условиях проточных частей ТНА ЖРД с учетом теории пространственного пограничного слоя. Процессы теплоотдачи в энергетических установках во многом схожи, но при анализе и выводе уравнений теплообмена для граничных условий ЖРД существуют определенные отличия. Основные отличия заключаются в следующем: экстремально высокие значения тепловых потоков, температур и давлений, наличие высоких скоростей потоков, начальное турбулентное состояние потоков в активной зоне, рабочие тела могут находиться в газообразном и жидком состоянии, эффекты кривизны поверхности. С использованием аналитического подхода определены уравнения для расчета локальных коэффициентов теплоотдачи в виде критериев Стантона для наиболее важных случаев, реализующихся при течении в полостях вращения ТНА ЖРД. Получены локальные коэффициенты теплоотдачи при прямолинейном течении, вращательных течениях, реализующихся в полостях между рабочим колесом и корпусом турбины и центробежного насоса (течение по закону твердого тела), в подводящих и отводящих аппаратах (течение по закону свободного вихря). Полученные аналитические выражения для локальных коэффициентов теплоотдачи хорошо согласуются с результатами исследований других авторов и имеют практическое применение при расчете характеристик тракта ТНА ЖРД. An important research task is to take into account the features of heat transfer in turbine settings of turbopump units (TPU) of liquid rocket engines (LRE). The problem of heat transfer flow, including rotational flows in the elements of turbine settings of TPU LRE, is solved using the following approaches: numerical methods, analytical joint solution of equations of motion and energy, and using of empirical equations. Heat transfer significantly affects the performance characteristics of TPU LRE. When designing the turbine settings of LRE assemblies and units, it is important to take into account the effect of heat transfer and, thus, the temperature of the working fluid flow along the length of the flow track. This is due to the fact that viscosity directly depends on temperature and determines the losses and flow pattern. Slight heating of the working fluid can lead to boiling of its components and loss of performance characteristics in supply units, especially when using cryogenic components of fuel. On the other hand, insufficient (unplanned) temperature of a component in the turbine setting leads to increased viscosity of some working fluids (for example, gel-like components), and thus to reduced efficiency of the unit. When studying the problem of rotational flows with heat transfer, it is necessary to solve the joint equations of motion and energy in the boundary conditions of LRE turbine settings, taking into account the theory of spatial boundary layer. Heat transfer processes in power plants are in many ways similar, but there are certain differences in the analysis and derivation of heat transfer equations for the LRE boundary conditions. The main differences are as follows: extremely high values of heat flows, temperatures, and pressures; high flow velocities; initial turbulent state of the flows in the core; possible gaseous and liquid state of working fluids; surface curvature effects. Using an analytical approach, we defined the equations for calculating local heat transfer coefficients in the form of Stanton criteria for the most important cases of flow in rotational cavities of TPU LRE. We obtained the local heat transfer coefficients for straight flow, rotational flows realized in the cavities between the impeller and the turbine casing and the centrifugal pump (solid state flow), in the inlet and outlet devices (free vortex). The obtained analytical expressions for the local heat transfer coefficients are consistent with the results of other author’ studies and may be applied in calculating the characteristics of an LRE turbopump track.