Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 12 )

Минимальное конечное давление в баллонах определяется по формуле:

рбал.min = рп + Δрред + Δрмаг. над, (2.29)

где Δрред - перепад давления на редукторе (обычно колеблется в пределах 1,0...3,0 МПа); Δрмаг.над - потери давления в магистрали системы наддува (0,5...1,0 МПа).

Очевидно, что полностью использовать газ из баллонов не удается. Коэффициент использования газа определяется по формуле:

Ки = 1 - . (2.30)

В лучшем случае Ки составляет 0,8 - 0,9. Из выражения (2.30) определим начальное давление в баллонах наддува:

рбал =. (2.31)

Зная объем баллонов (2.28), после выбора типа баллонов для газа наддува можно определить их количество, которое необходимо для компоновки отсеков и системы наддува.

Системы газоснабжения включают компрессорные (рис. 2.9) или газификационные установки (рис. 2.10) для закачки сжатых газов, баллоны для хранения сжатых газов, устройства для очистки, осушки и маслоотделения, а также устройства для отбора и проведения анализа состава и состояния газов, распределительные щиты для выдачи газов потребителю.

 

Рис. 2.9. Система газоснабжения с компрессорной установкой

 

Рис. 2.10. Система газоснабжения с газификацией криогенного компонента

 

На испытательных комплексах большее распространение получила система газоснабжения с компрессорными установками, а на стартовых комплексах – с газификационными установками.

 

2.3.3. Система отвода продуктов сгорания и охлаждения

элементов стенда

 

Система отвода продуктов сгорания – газоотражательные устройства, которые могут быть выполнены в открытом (как показано на рис. 2.1) и закрытом исполнении (рис. 2.13 и 2.14,в) в зависимости от параметров и характеристик испытуемого двигателя.

Продукты сгорания истекают из сопла двигателя в виде сверхзвуковой высокотемпературной струи (а = 2500...4000 м/с, температура Та = 2000...3000 К) и оказывают сильное динамическое, химическое и тепловое воздействие на элементы конструкций стенда, в частности на газоотражательный лоток или газоотводящее устройство. Так, параметры заторможенного потока газов на поверхности газоотражателя достигают значений: давление  МПа и температура  К. Поэтому в состав технологических систем стенда должны входить системы и устройства для охлаждения конструкции газоотводящих систем стенда.

Если двигатель рассчитан на работу в высотных условиях (pа < 20 кПа), то стенд оборудуется устройствами для имитации этих условий: газодинамической трубой - выхлопным диффузором, эжектором, барокамерой. Названные устройства, контактирующие с высокотемпературной выхлопной струёй, также выполняются обычно охлаждаемыми.

Газоотражательные лотки и газоотводящие устройства вертикального стенда могут быть защищены от воздействия высокотемпературной струи двигателя:

- покрытием газоотводящей поверхности тугоплавкими или термостойкими покрытиями;

- охлаждением газоотводящего устройства;

- охлаждением струи.

В виде термостойкого покрытия могут применяться двуокись циркония, двуокись кремния, различные термостойкие краски и др. Недостатком указанного метода является дороговизна и трудность восстановительных ремонтных работ в стендовых условиях.

В охлаждаемом лотке газоотводящая поверхность выполняется двустенной. Между стенками пропускается под давлением вода. Навстречу газовому потоку через сверления (струйные форсунки) в газоотводящей поверхности впрыскивается вода (рис. 2.11). Лотки с

Рис. 2.11. Схема охлаждения лотка через сверления на поверхности газоотражателя:

1 - коллектор подвода воды; 2 - огневая стенка лотка со сверлениями;

3 - стенка лотка; 4 - основание лотка

охлаждением по такой схеме применялись в центре Маршалла (США) на стендах для испытаний одиночного двигателя F-1 (тяга 6767кН) и связки двигателей F1 в составе ДУ первой ступени РН “Сатурн-5” (тяга 33833кН), при этом относительный расход воды для охлаждения составил К1 = 2, где К1 = .

Основными недостатками охлаждаемых лотков являются сложность конструкции и малая универсальность для испытаний ДУ с различным расположением и количеством двигателей (даже той же тяги). Кроме того, конструкция охлаждаемого лотка подвержена значительным термическим нагрузкам в условиях эксплуатации стендов при отрицательных температурах из-за невозможности полного удаления воды из системы и ее замерзания.

Наибольшее распространение получили системы защиты газоотражательного лотка с использованием охлаждения струи двигателя, представленные на рис. 2.12. В этом случае

Рис. 2.12. Система охлаждения струи:

а - высоконапорной подачей воды; б - низконапорной подачей воды через насадки, введенные в струю; в - воздушно-водяными эжекторами;

1 - сопло; 2 - насадок; 3 - коллектор подвода воды; 4 - коллектор подвода воздуха

 

эффективность работы системы зависит в первую очередь от того, насколько глубоко внедряется вода в выхлопную струю. Чем глубже внедрится вода в струю, тем эффективнее происходит процесс охлаждения. Проникновение воды в выхлопную струю обеспечивается системой подачи через различные устройства:

- насадки, в которых рп.в >  (см. рис. 2.12,а);

- насадки, введенные в струю, в которых рп.в < (см. рис. 2.12,б);

- воздушно-водяные эжекторы (см. рис. 2.12, в).

Здесь рп.в - давление подачи воды;  - давление заторможенного потока в струе.

Устройства, представленные на рис. 2.12,а и 2.12,в, не нашли применения, поскольку требуется высокоэнергетическое оборудование: системы подачи воды и воздуха высокого давления.

В случае же применения насадков, введенных в струю, внедрение воды обеспечивается при низких давлениях подачи рп.в = 0,4…0,8 МПа, что позволяет значительно упростить систему за счет использования серийных малонапорных насосов большой производительности (см. рис.2.12,б). Кроме того, система отличается универсальностью, позволяющей проводить ее быструю переналадку и настройку при испытаниях различных ДУ на стенде.

В выхлопную струю на расстоянии (1...1,5) dа от среза сопла двигателя вводят 2 - 3 насадка и подают через них воду в количествах, необходимых для охлаждения струи в зоне встречи с газоотводящей поверхностью до температур газа Тг < Тпл (где Тпл, - температура плавления материала лотка).

Предложенная методика расчета необходимого количества воды для охлаждения струи основана на рассмотрении уравнения сохранения энтальпии в струе. При этом принимаются следующие допущения:

- потери энергии в струе, связанные с тепловым излучением, равны нулю;

- вода распространяется равномерно по сечению выхлопной струи и полностью испаряется;

- после подачи охлажденной воды состав продуктов сгорания остается постоянным, соответствующим составу продуктов сгорания на срезе сопла ДУ;

- эжектируемый воздух не вступает в химическую реакцию с продуктами сгорания.

Уравнение сохранения энтальпии записывается в виде:

, (2.32)

где IТ - полная энтальпия топлива;

- энтальпия компонентов продуктов сгорания при некоторой температуре Т*;

 - разность энтальпий водяного пара при температуре Т* и охлаждающей воды;

 - разность энтальпий воздуха при температуре Т* и окружающей среды;

 - отношение секундных массовых расходов охлаждающей воды и компонентов топлива через ДУ;

 - отношение секундного массового расхода эжектируемого струёй воздуха к секундному расходу компонентов топлива через ДУ.

Решать уравнение можно с целью определения как температуры торможения охлажденной струи Т* при известном К1, так и необходимого расхода охлаждающей воды при заданном значении температуры торможения потока в струе.

Температура торможения потока зависит от температуры плавления материала покрытия газоотражательного устройства и берется, как правило, ниже ее на 150...200 градусов.

Для решения уравнения (2.32) необходимо знать коэффициент эжекции К2. Существует несколько эмпирических зависимостей, позволяющих найти К2 на оси струи или осредненное значение для всей струи. В зависимости от К2 определяется температура торможения потока на оси струи или осредненная температура для всей струи.