Эксплуатация испытательных комплексов ракетно-космических систем (стр. 9 )

Основные соотношения для расчета вытеснительной системы питания. Диаметры трубопроводов заправочных и расходных систем определяются из уравнения неразрывности движения жидкости по магистрали питания:

, (2.1)

где  - допустимая скорость движения жидкости; ρ - плотность жидкости.

Скорость движения жидкости и газов в стендовых трубопроводах питания может достигать следующих значений:

- для жидкостей типа керосин, кислород и другие - 5...7 м/с, типа водород - до 25 м/с;

- для газов типа воздух и азот - не более 40м/с и типа водород и гелий - не более 120 м/с [4].

В топливной системе подачи компонентов в камеру сгорания давление в стендовом баке подсчитывается по формуле:

рб = рк + Δрф + Δрмаг – Δрн, (2.2)

где рк - давление в камере сгорания; Δрф - потери давления в форсуночной головке; Δрмаг - потери давления по магистрали; Δрн - давление столба жидкости на входе в двигатель, определяемое разностью по высоте уровней топлива в баке и на входе в двигатель.

При давлении в камере сгорания 10...20 МПа перепад на форсунках выбирается в диапазоне 0,5...2,0 МПа.

В системе с низким давлением подачи

рб = рвх + Δрмаг - Δрн, (2.3)

где рвх - давление на входе в насос.

Потери давления в топливных магистралях определяются для конкретной системы подачи и состоят из потери давления на создание скорости Δрс, на преодоление местных сопротивлений ∆рм и трения в трубопроводах ∆ртр:

Δрвх = Δрс + Δрм + Δртр. (2.4)

Потери давления на создание скорости определяются формулой:

Δрс = . (2.5)

Потери давления на преодоление трения по длине магистрали:

Δртр = , (2.6)

где λ - коэффициент трения; l - длина трубопровода, м; d – диаметр трубопровода, м.

Для наиболее распространенного турбулентного течения λ может быть найдена по формуле:

λ = 0,3164,

где Rе - число Рейнольдса, Rе = ; ν - коэффициент кинематической вязкости.

Потери давления на преодоление местных сопротивлений, как известно, пропорциональны скоростному напору:

Δрм = , (2.7)

где ξ- коэффициент местного сопротивления.

Коэффициенты местных сопротивлений определяются в зависимости от рода преграды на пути движения жидкости (газа) [1, 3, 12].

Топливный бак должен быть оборудован горловинами, штуцерами и фланцами для подстыковки заправочных и расходных магистралей, трубопроводов перелива, наддува и дренажа. Должен быть предусмотрен люк для осмотра и ремонта, а также места установки датчиков давления, температуры и уровня топлива в баке. Наиболее распространенной формой баков является цилиндрическая, поскольку при ней бак имеет довольно большой объем при сравнительно небольшом поперечном сечении. Для криогенных компонентов топлива часто применяются сферические баки, которые имеют наименьшее отношение поверхности к объему (уменьшаются потери компонента за счет теплопритоков через стенки).

Одним из важных элементов топливного бака является заборное устройство. При сливе топлива из бака над донным сливным отверстием при некоторой критической высоте уровня жидкости Нкр свободная поверхность искривляется, возникает так называемый провал уровня h, который может привести к двухфазному течению жидкости в трубопроводе. При этом в топливную магистраль может попасть газовая фаза, в связи с чем приходится отключать систему питания до полного опорожнения бака. Воронкообразование можно исключить применением воронкогасителей, устанавливаемых в заборном устройстве. Примеры исполнения воронкогасителей приведены на рис. 2.3.

Высота уровня жидкости Нкр, при котором происходит прорыв газа в сливной трубопровод, называется критическим уровнем. Величина относительного критического уровня может быть определена по эмпирической формуле с учетом сил вязкости:

, (2.8)

где d - диаметр сливного отверстия; Fr = - число Фруда; δп - толщина пленки жидкости.

 

Рис. 2.3. Схемы заборных устройств топливного бака:

а - центральный отбор с тарелью над сливным отверстием;

б - сифонное заборное устройство; в - заборное устройство без тарели с коническим переходом от днища к сливному трубопроводу

 

Уменьшить критическую высоту Нкр можно с помощью тарелей, установленных над сливным отверстием.

Потребный объем топливного бака определяется по формуле:

Vб =  + Vзаб + Vгар + Vзап +  + Vисп, (2.9)

где - , τ - массовый секундный расход компонента топлива и максимальное время испытания; Vзаб - объем жидкости, оставшейся в баке, который зависит от типа устройства и режима слива; Vгар - гарантированный остаток компонента в баке, принимают 10...20 % от Vб; Vзап - объем, потребный для заполнения магистралей стенда; , τзах - массовый секундный расход и время, потребные для захолаживания магистралей питания, которые определяются экспериментально и зависят от типа изоляции, массы топливных магистралей питания (трубопроводов и арматуры) и режимов захолаживания; Vисп - объем на испарение, определяется типом изоляции и временем нахождения компонента в баке.

Трубопроводы систем питания подвергаются действию различных статических и динамических нагрузок. К статическим нагрузкам относятся собственная масса трубы, масса транспортируемой среды и внутреннее давление. Динамические нагрузки возникают от пульсации внутреннего давления, вибраций и гидроударов.

Термические напряжения в трубопроводе возникают из-за колебаний температуры окружающей среды и транспортируемой по трубопроводу жидкости.

При изменении температуры на ΔТ длина трубопровода l изменяется на Δl:

Δl = αΔТ, (2.10)

где α - коэффициент линейного расширения материала трубопровода. Для компенсации температурных деформаций трубопроводов применяются специальные компенсаторные устройства (сильфоны и др.).

Толщина стенки трубопровода определяется с учетом предельной нагрузки, в качестве которой принято предельное значение внутреннего давления рпр. В большинстве случаев рпр = 1,5рраб.

Толщина стенки бесшовной (цельнотянутой) трубы, которая в основном применяется для стендовых магистралей, определяется по формуле:

, (2.11)

где  - допускаемое напряжение с учетом коэффициента запаса прочности;

с - коэффициент, зависящий от предполагаемого коррозийного износа стенки трубы, а также минусового допуска на толщину стенки.

Основы расчета характеристик насосной системы подачи. При насосной системе подачи внутри топливных баков стенда поддерживается небольшое давление для обеспечения бескавитационной работы насосов. При этом давление, необходимое для подачи топлива к потребителю, создается насосом с приводом от электродвигателя или газовой турбины.

Лопаточные насосы нашли наиболее широкое применение в системах питания двигателей ЛА и стендов, так как обладают высокими антикавигационными и напорными качествами [4, 22]. При этом наибольшее распространение получило сочетание шнековой ступени с центробежной, установленных на одном валу. Такой насос, схема которого представлена на рис. 2.4, называется шнекоцентробежным.

При разработке стендовых систем для испытания агрегатов изделий, захолаживания систем и для решения других задач может оказаться необходимым использование центробежного насоса для подачи рабочей жидкости. В этом случае требуется оценить основные параметры насоса и привода, необходимые для компоновки систем стенда. К таким параметрам относятся:

- напор и угловая скорость ротора;

- геометрические размеры насосного агрегата (диаметры входного и выходного патрубков, габаритные размеры - диаметр и осевая длина корпуса насоса);

- масса и мощность насоса и привода.

Рис. 2.4. схема шнекоцентробежного насоса

1 – привод; 2 – шнек; 3 – центробежное колесо (крыльчатка); 4 – отвод; 5 – корпус; 6 – конический диффузор

 

Знать диаметры патрубков нужно для определения диаметров подводящих и отводящих трубопроводов, размеры насоса - для его правильного размещения, массу насоса - для расчета фундамента.

Исходными данными для расчета являются:

а) физические характеристики перекачиваемой насосом жидкости – плотность ρ , давление упругости параду рупр;