Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 31 )

Рис. 5.11. Принципиальная пневмогидравлическая схема ЭУ

для отработки системы топливоподачи на насыщенном топливе

 

Работа на ЭУ осуществляется следующим образом. Бак 1 с экранно-вакуумной теплоизоляцией заправляют криогенным компонентом топлива. Затем подачей неконденсируемого газа или конденсируемого (одноименного с топливом) газа через клапаны 2 и 3 осуществляют барботирование жидкости при поддержании постоянного давления в баке. За счет процессов растворения газа или его конденсации топливо насыщается газом или прогревается до насыщенного состояния. Контроль газонасыщения осуществляют путем отбора проб из жидкости через клапаны 4 на хроматографы 5. Контроль прогрева жидкости до насыщенного состояния осуществляют по датчикам температуры 6 и давления 7.

При давлении в баке выше суммарной величины давления насыщения  (- парциальное давление насыщающего газа; рнас - давление насыщения чистой жидкости, соответствующее температуре в баке) рабочее тело подается через клапаны 8 и 9 по трубопроводу с криогенно-вакуумной теплоизоляцией в насос 10. После захолаживания магистрали насос выводится на номинальный режим работы по частоте с помощью асинхронного электродвигаПри этом требуемый расход рабочего тела обеспечивают с помощью гидравлического сопротивления в виде дросселя 12 по обратной связи от расходомера 13. При увеличении гидросопротивления дросселем 14 достигается минимальное значение давления, соответствующее неблагоприятным условиям эксплуатации двигателя, а поток на входе в насос становится насыщенным или перенасыщенным. Сплошность потока и температура контролируются по датчикам 15 16 соответственно.

Близкие к натурному изменения термодинамического состояния рабочего тела на входе в насос при испытаниях его в составе ЭУ происходят, если выполняется равенство давлений и температур на входе в насос для модели и натуры, а также равенство концентраций компонента в газовой и жидкой фазах (газосодержащей жидкости) для модели и натуры.

Эти условия могут быть описаны с помощью формул, отражающих физические представления о равновесном фазовом переходе при образовании двухфазного потока в магистрали питания или непосредственно в насосе.

Требования равенства давлений на входе в агрегат топливоподачи и равенства сопротивлений на участках фазовых переходов описываются соотношениями:

; (5.10)

, (5.11)

где индексы “м” и “н” относятся к модели и натуре соответственно; рб, и рнас - давление в баке и давление насыщения топлива в магистрали; - сопротивление элемента магистрали; ρgh- давление столба жидкости в баке; n - перегрузка в полете; jнас, jвх - обозначение j-х участков магистрали до входа в насос.

Требования о равенстве температуры на входе в агрегат топливоподачи и равенство подогревов на участках фазовых переходов описываются следующими соотношениями:

(Тж)м  = (Тж)н; (5.12)

, (5.13)

где Тж, Тs- температура компонента топлива в баке и температура насыщения в магистрали питания; qж, сж - удельный теплоприток к топливу и удельная теплоемкость топлива;  - длина элементарного участка магистрали.

Требование о равенстве концентраций в фазах при выполнении условий (5.10 - (5.13) обеспечивает получение одинаковых для модели и натуры величин объемного газопаросодежания на входе в насос, которое оказывает решающее влияние на его работоспособность. Это требование описывается следующим соотношением:

, (5.14)

где  - мольная концентрация неконденсирующего газа, растворенного в жидком топливе в баке;  - прогнозируемые для условий эксплуатации расчетным путем значения парциального давления газа, объемного газопаросодежания и температуры топлива на входе в насос;  - молекулярная масса и плотность жидкости, коэффициент растворимости газа в топливе.

Для иллюстрации на рис. 5.12 показаны экспериментально полученные изменения относительного напора насоса  при изменениях объемного парогазосодержания  на входе в насос. При этом значении  в экспериментах на ЭУ определяют с помощью датчиков сплошности 15 (см. рис. 5.11) или расчетным путем. Характер изменений  существенным образом различается в зависимости от того, является ли поток чистой кипящей жидкостью (кривая 1) или газонасыщенной жидкостью (кривая 2).

 

Рис. 5.12. Зависимость относительного напора насоса от величины

объемного газопаросодежания потока:

1 - кипящее топливо; 2 - газонасыщенное топливо

 

Конечная цель испытаний - это определение критического кавитационного запаса насоса на представленной ЭУ. Под критическим понимается режим, при котором напор насоса падает ниже величины, заданной по техническому заданию на ДУ, что приводит к нарушению ее нормального функционирования. На рис. 5.13 на примерах поведения кавитационных характеристик кислородного (кривая 1) и водородного (кривая 2) насосов проиллюстрировано понятие критического кавитационного запаса, как соответствующее допустимому падению давления на выходе из насоса ∆рД.

Рис. 5.13. Кавитационные характеристики насосов:

1 - кислородный насос; 2 - водородный насос; I - момент начала кавитации в насосе; IIи III - первый и второй критические режимы работы насоса; IV и V - критические кавитационные запасы насосов, ∆рд - величина допустимого падения напора насоса; К - кавитационный запас насоса

 

Оценку динамических характеристик системы топливоподачи осуществляют при применении в ДУ магистралей большой протяженности, на которых установлены демпфирующие устройства. Демпфирующие устройства позволяют исключить совпадение собственных (резонансных) частот колебаний корпуса ДУ и системы “питающая магистраль – двигатель”. При экспериментальной отработке системы топливоподачи определяют эффективность демпфирующих устройств и их влияние на динамические характеристики системы, а также определяют влияние температуры и величины газонасыщения на динамические и частотные характеристики системы топливоподачи.

На рис. 5.14 показана принципиальная пневмогидравлическая схема натурного участка магистрали 18, который запитывается от бака 1 системы, представленной на рис. 5.11, при определении динамических характеристик системы топливоподачи. В баке 1 поддерживается величина рабочего давления, а с помощью дросселя 3 (см. рис.5.11) обеспечивается получение расхода жидкости, равного натурному. Насос 10 моделирует граничные условия стыка системы питания с двигателем. Возбуждение колебаний давления жидкости осуществляют пульсатором 19. Предусматривают возможность перестановки натурного демпфера 20 по длине магистрали.

Рис. 5.14. Принципиальная пневмогидравлическая схема магистрали слива

ЭУ для отработки системы топливоподачи с возбуждением колебаний

 

Амплитудо-фазочастотная характеристика (АФЧХ) строится в виде зависимости давления в магистрали от частоты колебаний, которые определяют по показаниям датчиков пульсаций давления 17 и 21. По результатам испытаний определяют следующие динамические характеристики системы питания: собственную частоту колебаний, декремент затухания колебаний давления и расхода, скорость распространения малых возмущений. На представленной ЭУ возможно решение целого ряда практических задач по оценке влияния: конструкции демпфера и места его установки на АФЧХ системы, значения температуры жидкости, величины насыщения жидкости газом, частоты возбуждающих колебаний и условий работы насоса на динамические характеристики системы [2].

5.2. Экспериментальные установки для комплексных испытаний ДУ

Комплексные стендовые испытания - заключительный этап экспериментальной отработки, включающий холодные и огневые испытания ДУ. Они проводятся после завершения автономной отработки агрегатов и ПГС ДУ для комплексной проверки и подтверждения совместной работоспособности двигателей, пневмогидравлических систем топливоподачи и других систем, обеспечивающих функционирование элементов ПГС в составе ДУ в стендовых условиях. При этом подтверждается:

- полнота и качество отработки конструкторской документации;

- степень отработки технологии изготовления ДУ;

- эффективность использования контрольно-измерительных средств, средств диагностики, системы аварийной защиты (САЗ) и испытательного оборудования.

Общий вид стенда с установленной ДУ в нем представлен на рис. 5.15.