Исследование процесса захолаживания криогенных трубопроводов жидким водородом для оптимизации огневых испытаний ракетных двигателей

Цель. Разработка математической модели, адекватно описывающей нестационарный процесс захолаживания длинных криогенных магистралей жидким водородом и позволяющей определять оптимальные режимные параметры, обеспечивающие минимальный расход хладагента при подготовке к огневым испытаниям жидкостных ракетных двигателей.

Методы. В качестве объекта моделирования использовался трубопровод в экранно-вакуумной изоляции, выполненный из стали 12Х18Н10Т, общей протяженностью 272,5 м, с диаметром проходного сечения 96 мм и толщиной стенки 2 мм. Суммарная масса запорного оборудования, размещенного на магистрали, составляет 246 кг. В трубопровод под избыточным давлением 0,2 МПа подается жидкий переохлажденный водород, имеющий температуру на входе 19 К. Температура окружающей среды составляет 293 К. При разработке модели поток кипящего водорода рассматривался как однофазный, у которого плотность в каждом сечении является функцией массового содержания и плотности каждой из фаз. Также были приняты некоторые допущения, в частности: предполагалось, что линейные скорости жидкости и пара равны, сами фазы находятся в состоянии термодинамического равновесия, а для определения коэффициента трения двухфазного потока могут быть применимы зависимости, полученные для однофазного течения.

Результаты. В данной работе предложена модель охлаждения длинных изолированных трубопроводов при протекании по ним жидкого водорода, позволяющая определять параметры потока в различные моменты времени и оценивать время выхода магистрали в рабочий режим. На основе предложенной модели была разработан автоматизированный алгоритм расчета процесса охлаждения длинного трубопровода криогенными компонентами, позволяющий получать данные для построения температурных полей стенок трубопровода и потока транспортируемого криопродукта в различные моменты времени, а также определять время выхода магистрали в рабочий режим и момент наступления стационарного течения однофазного потока. Результаты проведенного расчета хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Заключение. Используя данную модель при различных начальных и граничных условиях, можно отработать оптимальный режим протекания реальных физических процессов и добиться минимальных потерь криогенных компонент при минимальных временных затратах при подготовке стендовых систем к огневым испытаниям, как одного из этапов производственного цикла ЖРД в машиностроении.

1. Архаров А.М., Кунис И.Д. Криогенные заправочные системы стартовых ракетно-космических комплексов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана; 2006. 251 с.

2. Darr S.R., Hartwig J.W. Development of universal two-phase heat transfer correlations for cryogenic transfer line chilldown // Proceedings of the 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting. Kissimmee: AIAA; 2017. https://doi.org/10.2514/6/2017-0904.

3. Hartwig J. W., Hu H., Styborski J., Chung J.N. Comparison of cryogenic flow boiling in liquid nitrogen and liquid hydrogen chilldown experiments // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 88. P. 662-673.

4. Юранев О.А. Исследование различных способов захолаживания криогенных топливных баков изделий ракетно-космической техники // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2018. № 3. С. 50-57.

5. Федюшин В.А. Разработка системы минимизации эксплуатационных потерь аргона в условиях кислородного цеха // Энергетика. Проблемы и перспективы развития: тезисы докладов 3-й Всероссийской студенческой научной конференции. Тамбов: ТГТУ, 2017. С. 137-138.

6. Кутателадзе С.С., Стыркович М.А. Гидродинамика газожидкостных систем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1976. 296 с.

7. Гинзбург И.П. Прикладная гидрогазодинамика. Л.: Изд-во ЛГУ, 1958. 338 с.

8. Антюхов И.В. Исследование процессов теплообмена в криогенных магистралях ракетных двигателей // Материалы XIII Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI'2020). М.: МАИ; 2020. С. 118-121.

9. Нестационарный теплообмен / В.К. Кошкин, Э.К. Калинин, Г.А. Дрейцер, С.А. Ярхо. М.: Машиностроение, 1973. 327 с.

10. Hartwig J., Vera J. Numerical modeling of the transient chilldown process of a cryogenic propellant transfer line // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 2016. Vol. 30, no. 2. P. 1-7.

11. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. 246 с.

12. Беляков В.П. Криогенная техника и технология. М.: Энергоиздат, 1982. 272 с.

13. Вальциферов Ю.В., Полежаев В.И. Конвективный теплообмен в замкнутом осесимметричном сосуде с криволинейной образующей при наличии поверхности раздела фаз и фазовых переходов // Известия Академии наук СССР. Механика жидкости и газа. 1975. № 6. С. 126-134.

14. Калядин О.В., Сергеев А.В. Разработка математической модели процесса захолаживания длинных трубопроводов для транспортировки жидкого водорода // Альтернативная и интеллектуальная энергетика: материалы II Международной научно-практической конференции. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2020. С. 208-209.

15. Моделирование технологических процессов переохлаждения криогенных жидкостей / А.А. Гребенников, О.В. Калядин, А.В. Сергеев, О.П. Свиридов, И.М. Голев, С.А. Курьянов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2016. Т. 12, № 4. С. 85-91.