2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Давление в камере сгорания для ракетного двигателя

Давление в камере сгорания для ракетного двигателя

Надёжное функционирование ЖРД и ДУ обеспечивают разработанные на предприятии и изготовляемые серийно агрегаты автоматики: различные типы клапанов, регуляторы, дроссели, редукторы и стабилизаторы.

Все они отличаются разнообразием, как по конструктивному исполнению, так и по способу установки в схему изделия. Многие из них работоспособны в средах агрессивных высококипящих и криогенных компонентов топлива с давлением до 60 МПа и различных газов с давлением до 35 МПа.

В качестве приводов используются сжатый газ, электрический ток и пиропатроны.

В пускоотсечных агрегатах применены уплотнения, обеспечивающие самые высокие требования по герметичности при давлениях до 35 МПа.

Более сотни технических решений, заложенных в конструкцию агрегатов автоматики, защищены авторскими свидетельствами на изобретение.

Назначение агрегатов регулирования состоит в том, чтобы поддерживать основные параметры двигателя или двигательной установки, а именно тягу, соотношение компонентов топлива камеры сгорания и газогенератора и давления наддува баков с топливом в заданных пределах.

Поддержание этих параметров обеспечивает высокие удельные параметры не только ДУ или двигателя, но и ракеты.

Система регулирования, состоящая из агрегатов регулирования, повышает надёжность функционирования двигателей, т.к. отклонения параметров узлов, входящих в состав двигателей, связанных с их изготовлением и эксплуатации, а также различие свойств топлива, не снижает точности поддержания тяги и соотношения компонентов топлива сверх указанных в требованиях ракетных фирм.

Основные задачи, которые приходится решать при проектировании и отработке агрегатов регулирования и автоматики для ЖРД:

  • обеспечение надёжной работоспособности конструкции при минимальном весе согласно требованиям ТЗ;
  • обеспечение необходимой точности срабатывания автоматов и поддержание регулируемых параметров;
  • обеспечение требуемых параметров агрегатов регулирования и автоматики для получения заданного по времени выхода двигателя на режим и его останов;
  • обеспечение требуемых параметров агрегатов регулирования для получения необходимой динамической устойчивости систем по регулированию тяги и соотношению компонентов топлива двигателя.

Регуляторы тяги

Регуляторы тяги обеспечивают поддержание давления или расхода компонентов топлива, поступающих в камеру сгорания или газогенератор. Двигатели КБхиммаш отличаются широким диапазоном тяг, поэтому диапазон по расходу высокотемпературных компонентов топлива составляет от 0,05 кг/с до 13 кг/с, величина регулируемого давления составляет от 50 кгс/см 2 до 200 кгс/см 2 при рабочем давлении от 75 кгс/см 2 до 350 кгс/см 2 .

Стабилизаторы давления

Система регулирования соотношения компонентов топлива двигателя обеспечивает с высокой точностью постоянное значение соотношения компонентов топлива в камере сгорания, и, следовательно, минимальные гарантийные запасы топлива, заправляемые в баки ракеты.

Диапазон по расходу стабилизаторов давления составляет от 0,75 кг/с до 44 кг/с. Точность поддержания параметра 2%.

Система регулирования соотношения компонентов топлива в газогенераторе обеспечивает заданную температуру газа на входе в турбину ТНА при работе двигателя, что является важным для надёжной работы.

Диапазон по расходу стабилизаторов давления составляет от 0,02 кг/с до 0,2 кг/с. Точность поддержания параметра 2%.

Дроссели

Разрабатываемые КБхиммаш дроссели обеспечивают изменение расхода компонента топлива в камеру сгорания или газогенератор для двигательных систем СОБ, РКС и РСК.

Редукторы давления

Газовые редукторы, работающие на воздухе, азоте и гелии, применяются для наддува баков с компонентами топлива при наличии ТНА или для подачи топлива в камеру сгорания без ТНА, для систем командного управления давлением и систем с воздушным автопилотом.

Диапазон расходов по воздуху от 4 до 120 г/с при начальном давлении на входе £ 400 кгс/см 2 . Регулируемое давление от 2 кгс/см 2 до 50 кгс/см 2 .

Основным параметром системы регулирования, помимо точности поддержания давления или расхода, является динамическая устойчивость системы регулирования при высоких энергетических характеристиках двигателя, заданных условиями выхода на режим и длительности работы. Теоретически динамическую устойчивость систем проверяют на моделях, имитирующих двигатель. Окончательная динамическая устойчивость системы проверяется в составе работающего двигателя или двигательной установки. Отработка каждой системы требует значительных средств и времени.

Суммарное количество агрегатов регулирования товарных двигателей, разработанных в КБхиммаш за 50 лет составляет 320 наименований.

Сегодня современные ЖРД представляют собой сложнейшую систему, которая обеспечивает не только необходимый тяговый и удельный импульсы, но и дросселирование тяги (многорежимность), управление вектором тяги, управляемый запуск, работу и останов двигателя в определенном временном интервале, обеспечивает функционирование многих агрегатов ракеты. Исходя из сложности поставленных задач современная двигательная установка содержит до 6 агрегатов регулирования и до 20 агрегатов автоматики.

Назначение агрегатов автоматики, различные конструкции клапанов, состоит в том, чтобы обеспечить подачу компонентов топлива в двигатель, камеру сгорания, ТНА, газогенератор при запуске и отсечку компонентов при останове двигателя, обеспечить дренирование необходимых полостей двигателя в паузах между включениями и после останова, а также обеспечить длительное хранение заправленного ДУ без нарушения герметичности.

Заправочные горловины и клапана входа

Для заправки изделий компонентами топлива разработаны горловины, которые в настоящее время эксплуатируются на различных изделиях отрасли.

Для ЖРД отработаны многоразовые и одноразовые клапаны входа, которые обеспечивают длительное хранение компонентов заправленного изделия и при срабатывании обеспечивают подачу компонентов топлива в ЖРД.

Пускоотсечные клапаны

Для выполнения различных условий работы ЖРД и ДУ разработаны многофункциональные пускоотсечные клапаны, предохранительные клапаны с высокой точностью настройки от 2 кгс/см 2 до 50 кгс/см 2 , обратные клапаны и редукционные клапаны.

Пневмогидроузлы

Для подачи компонентов топлива иди газа к потребителю разработаны: пневмоузлы – ЭПК прямого и непрямого действия, гидроузлы – ЭЖК, которые по электрической команде осуществляют подачу или прекращение подачи топлива в ЖРД; газовые дроссели для подачи газа на рулевые сопла ДУ.

Пироузлы

За период с 1959 года. По настоящее время были разработаны различные модификации пусковых и отсечных клапанов, предназначенный для подачи и отсечки рабочего тела в жидкостных или газовых магистралях ЖРД и работающих в широком диапазоне давлений и температур. Пироклапаны установлены практически во все изделия КБхиммаш и отличаются высокой степенью надёжности и герметичности, как до срабатывания за счёт оригинальной конструкции запорного органа, выполненного в виде полого стакана со срезаемым дном, так и после срабатывания, которая обеспечивается конической пробкой с канавками (ёрш).

Многие конструкции пусковых и отсечных пироклапанов защищены авторскими свидетельствами и патентами.

В двигателях КБхиммаш с ограниченным числом включений до 6 широко применяются пороховые и пиротехнические устройства, а именно:

  • пусковые камеры для начальной раскрутки ТНА;
  • пироузлы для дистанционного приведения в действие различных клапанов (взведение, пуск, останов), для вскрытия сопловых заглушек, для дистанционного зажигания других пороховых узлов;
  • устройства для зажигания несамовоспламеняющихся компонентов топлива (например Н 2 + О 2 );
  • узлы, используемые для замедления импульса (пирочасы).

Отличительной особенностью пиротехнических узлов является:

  • компактность и простота по сравнению с жидкостными, электропневматическими и механическими источниками энергии;
  • высокая удельная мощность;
  • постоянная готовность к работе;
  • быстродействие (миллисекунды);
  • длительный срок службы (до 30 лет).

Для различных двигателей с турбонасосной системой подачи тягой от 200 до 60000 кгс на предприятии разработано и сдано в серийное производство около 50-и типов высоконапорных ТНА со сверхвысокой всасывающей способностью, использующих в качестве рабочих жидкостей высококипящие и криогенные компоненты топлива, с напорами от 5 до 60 МПа, расходами от 0,15 до 150 кг/сек, оборотами до 60000 об/мин и коэффициентами С кр от 4000 до 10000.

Многие конструкторско-технологические решения, заложенные в конструкции ТНА, являются оригинальными и приоритетными. К ним относятся:

Приветствую всех читателей нашего блога. Сегодня мы поговорим о способах учёта потерь в камерах ЖРД. Зачастую этому вопросу уделяется недостаточно внимания, и многие студенты, даже на старших курсах, путаются или не до конца понимают смысл тех или иных коэффициентов. Надеюсь, нижеследующий материал поможет в этом разобраться.

Системы коэффициентов потерь в ЖРД

Для оценки качества протекания процессов в ЖРД можно использовать различные системы коэффициентов.

Энергетические коэффициенты (к.п.д.). Коэффициенты полезного действия оценивают совершенство преобразования исходной энергии в полезную работу. Совершенство процессов горения в камерах сгорания ракетного типа, широко используемых в различных технологиях, оценивают внутренним к.п.д. камеры. Этим коэффициентом оценивают величину действительной температуры газа в камере сгорания.

Импульсные коэффициенты. Коэффициенты, оценивающие потерю удельного импульса тяги вследствие некачественного протекания процессов преобразования энергии. В ЖРД более распространены импульсные коэффициенты, которые оценивают не потерю энергии, а потерю скорости истечения или удельного импульса, так как для двигателя важной характеристикой является его силовое воздействие на летательный аппарат.

Покажем смысл импульсных к.п.д. и связь их с энергетическими. Запишем скорость истечения wa следующим образом

Используя соответствующие обозначения запишем

где ηoi и ηt — внутренний и термический к.п.д. соответственно.

Более удобной исходной величиной, чем теплота сгорания топлива Hu, является теоретическая скорость истечения wa ид, определяемая термодинамическим расчетом. Тогда можно записать

Переходя к удельному импульсу тяги, запишем, используя также импульсный коэффициент

Отсюда видна связь между энергетическим к.п.д. и импульсным коэффициентом потерь. Для определения действительного удельного импульса тяги обычно используют значение удельного импульса тяги в пустоте, которое можно получить, как и скорость истечения, термодинамическим расчётом.

Потери удельного импульса тяги определяются потерями в камере сгорания и в сопле. Эти потери оценивают соответственно коэффициентом потерь в камере φк, коэффициентом сопла φс. Коэффициент суммарных потерь импульса определяется произведением этих коэффициентов

Таким образом, импульсные к.п.д. однозначно связаны с соответствующими энергетическими к.п.д., но предпочтительнее их по соображениям практического удобства. Они широко используются в теории и расчётах ракетных двигателей.

Оценка потерь в камере сгорания

Для определения коэффициента, характеризующего совершенство процессов смешения и сгорания, используют характеристическую скорость.

где pкр 0 — полное (заторможенное) давление в критическом сечении, μс — коэффициент расхода.

Коэффициентом камеры сгорания φк называют отношение действительной характеристической скорости в камере и идеальной, вычисленной при тех же значениях соотношения компонентов и давления в камере сгорания

Наряду с характеристической скоростью часто применяется непосредственно расходный комплекс. В отличие от характеристической скорости расходный комплекс представляет собой произведение давления в некотором сечении камеры сгорания на площадь критического сечения, отнесённое к секундному расходу топлива через камеру

Для оценки эффективности камеры сгорания используется относительная величина

Введением в формуле (7) полного давления в критическом сечении и коэффициента расхода учитывается неидеальность процессов в камере сгорания и в сужающейся части сопла при течении продуктов сгорания. Идеальные значения характеристической скорости и расходного комплекса равны между собой и определяются термодинамическим расчётом.

Действительное значение расходного комплекса достаточно просто можно определить в эксперименте, измеряя давление в камере и расход топлива через камеру. Согласно стандарту давление в камере сгорания измеряют в сечении у форсуночной головки, где измеренное статическое давление равно полному давлению (pк = pк 0 ). Для определения значения характеристической скорости необходимо провести дополнительно довольно сложные расчеты. Выражение для коэффициента потерь в камере сгорания запишется уравнением

где σf = pc 0 /pк — коэффициент потерь полного давления на участке от форсуночной головки до входа в сужающуюся часть сопла; σc = pкр 0 /pc 0 — коэффициент потерь полного давления на участке от входа в сопло до критического сечения.

Оценка потерь на тепловое сопротивление камеры.

Очень большое влияние на параметры камеры сгорания оказывает соотношение между площадями камеры сгорания Fк и критического сечения Fкр. Отношение Fк/Fкр = F к называют безразмерной площадью камеры. В уравнениях тяги и удельного импульса, полученных теоретически, предполагалось, что скорость движения газов в камере равна нулю, а полное давление газов по длине камеры неизменно. Эти условия реализуются при очень больших значениях безразмерной площади камеры. Реальная камера сгорания имеет конечные геометрические размеры, и процесс в ней представляет собой течение сжимаемого газа в цилиндрической трубе с подогревом. При этих условиях возникает тепловое сопротивление, приводящее к потерям полного давления в камере сгорания и снижению её тяги и удельного импульса.

Потери полного давления зависят от безразмерной площади камеры. При F к = 1,0 (полутепловое сопло) потери полного давления достигают максимальной величины σf = 0,78…0,82. При выборе площади камеры сгорания необходимо учитывать потери на тепловое сопротивление. С увеличением безразмерной площади потери полного давления уменьшаются: при F к = 2…3, σf = 0,94…0,98, а при F к > 3 коэффициент восстановления полного давления σf → 1, тогда ими можно пренебречь.

Существенным ограничением при выборе малых значений F к является сложность процесса смесеобразования. Так как с уменьшением F к растёт величина расходонапряжённости r = ṁ /Fк. Для современных камер сгорания расходонапряжённость с ростом рк увеличивается.

Для определения расходонапряжённости камеры [кг/(c·м 2 )] можно принять эмпирическую формулу r = (0,8…1,3)·10 -4 рк. В этой формуле давление в Паскалях. По величине расходонапряжённости можно скорректировать или определить площадь камеры сгорания.

На величину потерь в камере оказывает влияние коэффициент расхода сопла (см. (10)). Коэффициент расхода учитывает толщину вытеснения пограничного слоя и неоднородность поля скоростей в критическом (минимальном) сечении камеры. Основная составляющая коэффициента расхода при различной форме дозвукового сопла мало зависит от показателя изоэнтропы, но зависит от радиуса входной части (r2 = R2/Rкр). При r2 = 1,5…2,0 μс = 0,993…0,998. Уменьшение коэффициента расхода сопла, связанное с толщиной вытеснения пограничного слоя, зависит от показателя изоэнтропы, величины r2 и числа Рейнольдса. Расчёты и эксперименты показывают, что при Re > 10 5 …10 6 это уменьшение составляет 0,001…0,002. Низкие числа Re характерны для двигателей малой тяги.

При научных исследованиях процессов в камерах сгорания и при опытной отработке вновь создаваемых двигателей для оценки их совершенства применяют, как правило, характеристическую скорость, а при испытаниях серийных двигателей, когда его конструкция уже отработана, в целях определения эффективности камер сгорания применяют расходный комплекс.

При проектировании камер сгорания обычно используют статистические данные значений коэффициента потерь в камере φк = 0,96…0,99, полученные на многообразии двигателей с различными параметрами и топливными компонентами.

Оценка потерь в сопле

Для оценки совершенства процессов в сопле, а также вклада его доли в создание тяги используются такие относительные показатели как тяговый комплекс и коэффициент тяги.

Тяговым комплексом KP называют отношение тяги камеры к произведению давления в камере на площадь критического сечения сопла

Знаменатель этой формулы представляет первую составляющую тяги камеры. Если разделить числитель и знаменатель на расход топлива через камеру, то получим следующее выражение тягового комплекса

Физический смысл тягового комплекса – во сколько раз тяга камеры больше её первой составляющей. Тяговый комплекс является характеристикой сопла. Чем больше его величина, тем больше роль сопла в создании тяги. Характерный диапазон значений KP = 1,2…2,0.

Наряду с тяговым комплексом используется коэффициент тяги KT:

Отношение действительного коэффициента тяги в пустоте к идеальному есть не что иное, как коэффициент сопла. Покажем это, используя уравнения (4), (5) и (7)

Так же как и характеристическую скорость, коэффициент тяги можно определить теоретически и в эксперименте. Сравнение экспериментальных значений с теоретическими значениями используется для анализа совершенства процессов в сопле.

Основные составляющие потерь в соплах следующие: потери тяги из-за трения; газодинамические потери, связанные с формой и особенностью профиля сопла; потери термодинамического характера, которые зависят от степени неравновесности, степени расширения газов в сопле и рода топлива.

При хорошо спрофилированных и изготовленных соплах потери в них составляют от 2,5 до 6,0%, то есть полный коэффициент сопла может принимать значения в диапазоне. φc = 0,940…0,975.

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Эластичный двигатель что это
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector