Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 19 )

Насосная система подачи включает в себя бак 26 с системой наддува, дренажа и заправки, расходную магистраль подачи воды на вход в насос с клапаном и датчиками расхода. Насос 25 служит для подачи воды в систему охлаждения рамы 21, предназначенной для установки испытуемого теплозащитного материала 17 в высокотемпературной струе камеры 16. Насос вначале работает на линию циркуляции, т. е. слив происходит в емкость 26 через открытый клапан 24. По команде с пульта управления открывается клапан 23 подачи вода на охлаждение рамы и по мере нарастания давления в магистрали по сигналу датчика давления 22 подается команда на закрытие клапана 24 (циркуляция прекращается).

В рассматриваемой ПГС расход газообразного водорода изменяется и поддерживается на определенном уровне в процессе испытания газовым редуктором 6, управляемым дистанционно изменением давления в командной полости (в ресивере 7) с помощью ЭПК 8 и 9, включаемых по сигналам датчика давления 14 (установлен на входе в камеру по линии горючего). Расход кислорода поддерживается определенным наддувом баллонов через ЭПК 35 по сигналам датчика давления 37. Расход воды на охлаждение регулируется изменением частоты вращения насоса 25. В момент запуска режимы (расходы компонентов топлива) регулируются дросселями 13 и 15, установленными на магистралях питания.

Компоненты топлива в данной схеме воспламеняются пороховыми газами пирозажигательного устройства (18). При этом возможно использование третьего компонента, подаваемого в полость камеры и воспламеняющегося одним из компонентов топлива. Например, для топливной пары водород и кислород возможно применение фтора, который воспламеняется при соприкосновении с водородом, или же тритилалюминия, воспламеняющегося при соприкосновении с кислородом. Поскольку химическая активность и токсичность фтора высоки, существенно усложняются системы стенда. Кроме того, могут быть применены электрические системы зажигания с использованием высокоразрядных свечей зажигания (как в авиационных газотурбинных двигателях и двигателях внутреннего сгорания).

На стендах с насосной системой топливоподачи в испытуемую камеру сгорания или газогенератор используется технологический ТНА, работающий от стендового газогенератора или электропривода. Топливные насосы обычно располагаются на одном валу и, следовательно, имеют одинаковую частоту вращении. Настройка топливной системы заключается в определении необходимых частот вращения насосов и сопротивлений магистралей окислителя и горючего. Для настройки необходимо знать:

- характеристики насосов и турбины;

- гидросопротивления расходных магистралей стенда Δрмаг;

- давление газов в камере сгорания рк

- гидросопротивление полостей окислителя и горючего камеры Δрк;

Расчет настройки производится в такой последовательности:

1. Определяют потребное давление за насосами окислителя и горючего по формуле:

рп = рк + Δрк + Δрмаг + рн, (2.37)

где рН - давление столба жидкости.

2. По характеристикам насосов определяют потребные частоты вращения насосов окислителя и горючего. За рабочую частоту вращения выбирают большее значение (например, частоту вращения насоса окислителя).

3. При рабочей частоте вращения определяют располагаемое давление за насосом горючего по характеристике насоса горючего рн.г.расп.

4. Вычисляют перепад давлений, который должен быть уменьшен на дросселе или дроссельной шайбе, устанавливаемых в магистрали горючего:

Δрг= рн.г.р. – рн.г.п. (2.38)

5. По этому значению определяют положение дросселя горючего (по характеристике дросселя) или диаметр дроссельной шайбы.

6. С учетом характеристик турбины и газогенератора определяют расход рабочего тела [7, 8].

 

2.4. Системы имитации полетных (штатных) условий эксплуатации

К стендовым устройствам относятся системы имитации:

- гидродинамических процессов на входе в двигатель;

- давления на срезе сопла (высотных) условий;

- воздействий невесомости и космического пространства;

- крепления двигателя на летательном аппарате;

- климатических и температурных воздействий;

- газонасыщения компонентов топлива.

 

2.4.1. Системы имитации противодавления и разрежения (высотных условий) за срезом сопла двигателя

 

Системы имитации противодавления и разрежения (высотных условий) за срезом сопла двигателя. Противодавление за срезом сопла двигателя может возникнуть при истечении газов в канал закрытого типа или сплошную среду.

На стенде противодавление, соответствующее старту из наземного пускового устройства, можно имитировать с помощью:

- газодинамического насадка с полузамкнутым объемом;

- специальной газоотводящей установки;

- подачи в камеру сгорания двигателя импульса расхода газа, например азота.

При запуске двигателя с применением установок первого типа противодавление возникает вследствие пережатия выходного сечения газоотводящего канала. Его величина выбирается из условия получения импульсного противодавления, реализующегося в пусковом устройстве при выходе двигателя на режим.

В установках второго типа имитируется инерционность газового столба, заключенного в газоходе. Для этой цели на стенде применяются специальные газоотводные трубопроводы. Размеры проточной части (диаметр и длина) газоотводного трубопровода при испытании двигателя должны назначаться такими, чтобы при течении потока по каналам обеспечить равенство полного давления установки и стенда:

. (2.39)

Для запуска установки и обеспечения безотрывного течения газа в сопле двигателя на режиме площадь поперечного сечения газовода, имитирующего газоход установки, должна быть

(2.40)

где Fкр - площадь критического сечения сопла; Fу- площадь поперечного сечения газовода; - коэффициент скорости истечения газа из сопла двигателя; - газодинамические функции.

При испытаниях двигателей, предназначенных для запуска в среде с противодавлением, на стендах используются способы и устройства, обеспечивающие имитацию запуска в натурных условиях, т. е. имитируется среда и давление. Например, для имитации давления в полостях камеры сгорания и газогенератора используется устройство, схема которого представлена на рис. 2.33. Перед запуском в полостях камеры и газогенератора ДУ создается давление подачей газообразного азота от стендовой системы через запорные клапаны 5 и 7. Давление настройки редуктора 6 системы подачи газа определяется столбом жидкости, воздействующим на ДУ в момент старта.

Рис. 2.33. Схема устройства для подвода газа в полость камеры сгорания и газогенератора для имитации запуска ДУ в среде с противодавлением:

1 - камера сгорания; 2 – срасываемая заглушка; 3 - трубопровод подвода газа; 4 - разрывной элемент трубо-провода; 5, 7 - клапан; 6 - редуктор; 8 - газогенератор; 9 - манометр

 

Системы имитации высотных условий. При наземных испытаниях двигателей, предназначенных для использования в верхних слоях атмосферы, определить их характеристики (тягу, задержку воспламенения топлива в камере, тепловой режим и устойчивость процесса горения в камере сгорания, надежность и ресурс работы) можно, понизив противодавление в выходном сечении сопла до получения безотрывного истечения.

Режим работы сопла определяется соотношением давлений на срезе сопла pа и окружающей среды ph. Когда pа < ph, то сопло работает в режиме перерасширения и процесс истечения газов сопровождается системой криволинейных скачков (рис. 2.34).

Рис. 2.34. Истечение газов из сопла на режимах перерасширения:

а – при ра < рh; б – при ра << рh; в – при ра < ротр

 

При большей разнице давлений pа и ph система скачков входит внутрь сопла, и истечение газов происходит с отрывом потока от стенок сопла. Давление отрыва потока газов от стенок сопла составляет pотр  20…40 кПа. Оно в большой степени зависит от давления в камере сгорания. Отрыв потока газа от стенок сопла сопровождается перегревом конструкции за счет увеличения температуры заторможенного потока газа за системой скачков уплотнения и разрежением газов у стенки. В результате может произойти нарушение режима охлаждения или потеря устойчивости сопла.

Для исключения указанных явлений при испытаниях высотных двигателей без имитирующей системы могут применяться специальные устройства, включающие:

- коллектор для подачи воды через струйные форсунки в зону отрыва потока газа;

- бандажи, устанавливаемые на наружной поверхности сопла для предотвращения складывания сопла под воздействием атмосферного наружного давления, или вакуумный кожух вокруг сопла.

При отрывном истечении газов из сопла оценить энергетические показатели камеры с высокой точностью не удается, так как трудно определить точное расположение скачка уплотнения, следовательно, и фактическая площадь сечения сопла, создающего тягу Fотр, может быть определена с большим приближением.

Понижение противодавления на выходе из сопла, обеспечивающее безотрывное истечение газа, можно получить тремя способами, применяя на стенде: барокамеры с откачивающими средствами, эжекторные установки и газодинамические трубы (сверхзвуковые выхлопные диффузоры). Они могут применяться по отдельности или в различных комбинациях (рис. 2.35).