книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

Величина допускаемого наддува определяется прочностью бака

облегченной конструкции, весом газа, используемого для наддува,

и весом системы подачи этого газа. Так как увеличение давления наддува топливных баков связано с увеличением веса системы над­ дува вместе с газом, а также с необходимостью выполнять топлив­

ные баки более прочными и относительно большого веса, то при

установлении максимально допустимого числа оборотов насосов ЖРД нельзя слишком злоупотреблять увеличением давления над­ дува баков газом, ибо это может привести к общему утяжелению двигателя.

Фиг. 10.30. Зависимость предельного числа оборотов насоса от да(вления подпора и расхода жидкости через насос.

Так как насос окислителя более опасен в отношении кавитации, чем насос горючего, то давление наддува бака окислителя должно быть большим, чем бака горючего. Если расположить бак окисли­ теля в носовой части снаряда, то давление наддува можно принятьсоответственно меньшим по сравнению с расположением бака вбли­ зи камеры двигателя в связи с тем, что часть давления на входе в насос может быть получена за счет давления столба жидкости

перед насосом.

Для улучшения работы насоса и повышения числа оборотов его

без чрезмерного увеличения давления наддува в баках, обычно применяют различные меры, например закрутку потока жидкости на входе в крыльчатку насоса путем установки неподвижных на­ правляющих лопаток, включение перед основным центробежным

насосом вспомогательного подкачивающего винтового или лопаст­ ного насоса и др.

■570 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи Ж.РД

Использование винтового насоса для подкачки жидкости перед обычным центробежным насосом представляет значительный ин­ терес (устойчивая работа этого насоса начинается только с 9000— 10 000 об/мин; до этих оборотов насос работает неровно, с пульса­ цией) .

Испытания винтового насоса показали, что напор, создаваемый им, весьма значителен и составляет примерно 30% от общего напо­ ра, развиваемого этой группой. Установка винтового насоса позво­ ляет значительно уменьшить вес и габариты всего агрегата. Кроме того, оказывается возможным значительно увеличить диаметры всасывающих трубопроводов и тем самым свести потери в них до минимума. Это в свою очередь позволяет уменьшить подпор в топ­ ливных баках до минимальной величины. Скорость жидкости на входе в крыльчатку насоса обычно находится в пределах 3—6 м/сек, а на выходе из крыльчатки 3—15 м/сек.

Так как эксплуатация некоторых жидких компонентов топлива сопряжена с опасностью их взрыва при взаимном контакте, то должны быть приняты особые меры для исключения течи жидкости через уплотнения вала или сальников насосов. В случае самовоспла­

меняющихся компонентов топлива утечки могут привести к пожару и взрыву двигателя и снаряда. Если применяют компоненты топли­

ва с высокими коррозионными свойствами, то весьма жесткие тре­ бования предъявляются к материалу и конструкции уплотнений насосов.

Конструктивные меры против просачивания жидкости в насосе могут быть различными у разных конструкций существующих ТНА.

Для насосов рекомендуются уплотнения сильфонного типа. Для облегчения работы узлов уплотнения вход жидкости в насосы сле­ дует делать со стороны привода насосов.

При проектировании турбин двигателей необходимо обращать внимание на критическое число оборотов, осевые и радиальные на­ грузки на подшипники и на напряжения во вращающихся частях.

Так как насосы двигателей обычно не устанавливаются жестко на

тяжелом основании, а имеют упругую подвеску и располагаются вблизи такого мощного источника вибраций, как ЖРД, то эти ви­ брации могут серьезно влиять на работу насосов (например, вызы­ вать поломку вала или местное трение между вращающимися и

неподвижными частями).

В случай высокого давления в камере сгорания двигателя (свы­ ше 40 ата) напор жидкости, создаваемый одноступенчатым насо­ сом, может оказаться недостаточным или невыгодным. Поэтому для

создания больших напоров компонентов топлива потребуются двух- и трехступенчатые центробежные насосы.

При проектировании и конструировании топливных насосов для ЖРД нужно всемерно стремиться повысить их общий к. п. д. Основ­ ными методами повышения к. п. д. центробежных насосов ТНА дви­ гателя могут являться:

1)увеличение числа оборотов насосов разделением каждого насоса на две ступени: а) ступень подкачки с малым числом обо­ ротов, подобранным исходя из условий кавитации, и малым подпо­ ром, подобранным исходя из условий работы основной ступени, и

б) применение ступени с повышенным числом оборотов, что соот­

ветствует применению конструктивной схемы ТНА с редуктором;

2)увеличение числа ступеней насоса при постоянном числе оборотов;

3)увеличение подпора жидкости на входе в насос;

4)повышение антикавитационных качеств насоса (установка

подкачивающего винтового насоса перед основным насосом, ис­ пользование энергии перекачивающей жидкости для эжекции, пе-

реразмерный вход в колесо и т. п.).

Применяя один из этих способов или их комбинации, можно увеличить коэффициент быстроходности насоса и, следовательно, общий к. п. д. насоса.

§ 12. Арматура, трубопроводы и другие элементы системы топливоподачи ЖРД

При разработке конструкции ЖРД весьма важно выбрать для системы топливоподачи необходимую арматуру, приборы и другие элементы, обеспечивающие запуск, нормальную работу и остановку двигателя.

К таким элементам систем топливоподачи ЖРД одноразового действия относятся:

1)отсечные клапаны с автоматическим приводом;

2)разрывные мембраны свободного или принудительного раз­ рыва (посредством пиропатрона);

3)реле постоянства давления;

4)обратные клапаны;

5)редукторы давления сжатого газа;

6)дроссельные шайбы;

7)дренажные клапаны;

8)заправочные и сливные пробки или заменяющие их запор­ ные вентили;

9)топливозаборные внутрибаковые устройства;

10)предохранительные клапаны;

11)трубопроводы, сильфоны и др.

Выбор элементов системы топливоподачи, их числа и конструк­ ции в большой мере зависит от назначения и тяги двигателя и дру­ гих факторов. Во всех случаях нужно стремиться к тому, чтобы для увеличения безопасности и надежности работы системы топли­ воподачи число ее механических устройств, таких, как клапаны, ре­ ле и трубопроводы, было сведено к минимуму.

Отсечные клапаны (ОК) служат для регулирования расхода компонентов топлива в камеру сгорания, обычно имеют автомати­

572 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

ческий привод и работают так же, как запорные. Открывая или закрывая эти клапаны, можно управлять подачей компонентов топлива и газа (запустить и остановить двигатель).

Поскольку через отсечные клапаны протекают большие коли­ чества жидкости под высоким давлением, то для привода их в дей­ ствие требуются значительные усилия. Усилие, необходимое для закрытия и открытия отсечных клапанов ЖРД, обычно создается

электромагнитом или сервопоршнем (пневматическим или гидрав­

лическим), нагруженным управляющим давлением. Из-за боль­ шого расхода электрического тока отсечные клапаны с электромаг­

нитным приводом применяются только для трубопроводов малых

диаметров. Для трубопроводов больших диаметров наиболее це­ лесообразны клапаны с сервопоршнем. При этом двигатель может развивать полную тягу приблизительно через 1,5 сек. и остановить­ ся (нулевая тяга) примерно через 0,5 сек. с момента подачи клапа­ ну соответствующего импульса.

Основными элементами отсечного клапана любой конструкции

являются седло, непосредственно клапан, перекрывающий трубо­ провод, и привод этого клапана.

При конструировании отсечных клапанов особое внимание дол­ жно быть уделено его безотказному действию. Этого достигают различной конструкцией клапанов, обеспечивающей плотную по­ садку без утечки, использованием нержавеющей стали для гнезд, тела клапанов, пружин и других деталей, чтобы предупредить отказ в работе клапана из-за коррозии.

По положению клапана относительно седла до начала и во вре­ мя работы двигателя конструкции отсечных клапанов делятся на следующие типы:

1)нормально закрытые, т. е. закрывающиеся при отсутствии электрического тока в цепи и открывающиеся при подаче тока;

2)нормально закрытые с дренажем, т. е. с отверстием, страв­

ливающим давление из линии за клапаном при снятии электротока;

3)нормально открытые, т. е. открытые при отсутствии электро­ тока в цепи и закрывающиеся при подаче электротока;

4)исполнительные с сервопоршнем гидравлическим или пнев­ матическим, нормально закрытые, т. е. закрытые при отсутствии давления на сервопоршень и открывающиеся при подаче давления;

5)исполнительные с сервопоршнем, нормально закрытые.

Конструктивное выполнение и принципы работы существующих

отсечных клапанов, как и других элементов систем топливоподачи ЖРД, подробно описаны в существующей литературе'.

При проектировании систем топливоподачи ЖРД следует иметь

в виду, что хотя отсечные клапаны конструктивно просты, однако

клапанного седла и определении зазоров, задержки открытия кла­ пана обычно встречаются большие трудности.

Отсечные клапаны должны быть надежны в работе, так как любое повреждение клапана может привести к выходу из строя

всего двигателя. Течь в топливном клапане и задержка его откры­

тия или закрытия могут привести к аварии двигателя и боевого ап­ парата в целом.

В современных системах топливоподачи ЖРД встречаются так­ же сдвоенные или строенные клапаны, в которых один сервопор­ шень открывает два или три клапана на линиях различных компо­

нентов или на параллельных линиях одного компонента. Движе­ ние от сервопоршня к клапанам в этом случае передается при по­

мощи качающихся рычагов.

Перед установкой на двигатель отсечные клапаны проходят гидравлические испытания на проверку утечки через седло или направляющие и на точность их действия.

При выборе размера отсечного клапана исходят из того, чтобы диаметр его был равен диаметру соответствующего трубопровода в свету. При этом подъем клапана должен быть не больше ]/4 его диаметра.

Усилие, необходимое для надежного закрытия клапана, опре­ деляют из расчета клапана на герметичность.

Для уплотняющих вставок клапана можно использовать пласт­ массы и легкие металлы (в зависимости от типа и назначения кла­

пана). Для особенно агрессивных жидкостей иногда применяют клапаны, пришлифованные к седлам.

Мембраны свободного или принудительного разрыва (МР) при помощи пиропатрона с электрическим запалом являются весьма простыми и относительно легкими запорными органами, часто за­ меняющими отсечные клапаны в системах топливоподачи одноразо­

вого действия. Они обеспечивают надежное уплотнение. При до­ стижении заданного давления мембрана рвется и открывает доступ

компоненту топлива к месту его потребления. При этом для регу­ лирования расходов компонентов применяют сменные дроссель­ ные шайбы.

Двигатель с запорными мембранами, запущенный в работу, не может остановиться до полного израсходования одного или обоих компонентов топлива.

Существуют конструкции мембран с кольцевой и крестообраз­ ной насечкой. При достижении заданного давления в системе мем­

браны рвутся именно по этим насечкам, так как здесь сопротивле­

ние мембраны меньше. После разрыва мембраны первого типа по насечке лепесток ее отгибается и открывает проход жидкости или газу. В мембранах второго типа разрыв происходит также по на­

сечке, и отгибается ряд лепестков.

Мембрану на нужное давление разрыва обычно подбирают.

574 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

так как усилие, разрывающее тонкий материал мембраны, в значи­ тельной мере зависит от допуска на толщину насечки.

Реле постоянства давления (РПД) служит для переключения электрических цепей при достижении в обслуживаемой магистра­ ли или объеме определенного давления и для обратного переключе­ ния цепи при понижении давления от заданного предела. Реле дав­ ления могут быть нормально открытого и нормально закрытого ти­ пов.

Обратные клапаны (ОК) служат для предупреждения движения жидкости или газа по трубопроводу в обратном направлении. В нерабочем состоянии тарелка этого клапана давлением пружины прижата к седлу. Компонент, поступивший в штуцер клапана, си­

лой своего давления на тарелку клапана открывает его и проходит к выходному штуцеру. Обратное движение жидкости или газа не­ возможно, так как оно всегда приводит к закрытию клапана. Дви­ жение тарелки клапана ограничено упорным выступом.

Редуктор давления (РД) служит для понижения до определен­ ного предела давления газа, поступающего из аккумулятора дав­ ления в баки для вытеснения из них компонентов топлива в камеру сгорания двигателя, и является одним из основных элементов вы­ теснительных систем топливоподачи.

Редукторы давления газа часто используются также в системах подачи для питания автоматики газом необходимого давления, для подачи компонентов в парогазогенератор и других целей.

Величина понижения давления газа при дросселировании в ре­ дукторе обусловливается размером отверстия между клапаном и седлом.

Конструкция редуктора в значительной мере определяется тем, в каком направлении открывается клапан редуктора. По этому признаку редукторы давления разделяются на редукторы прямого и обратного действия. В редукторе давления прямого действия кла­ пан открывается в направлении усилия, возникающего за счет дей­ ствия газа высокого давления (по потоку газа). В редукторе дав­ ления обратного действия клапан открывается против усилия, воз­ никающего за счет действия давления газа высокого давления (против потока газа).

В ЖРД обычно применяются редукторы давления обратного действия.

Редуктор давления не только уменьшает давление газа до вели­ чины, необходимой для вытеснения компонентов из баков, но он од­ новременно является регулятором, сохраняющим почти постоянным давление в топливных баках, несмотря на то, что давление газа на входе в редуктор все время понижается в связи с убылью газа из аккумулятора давления.

Редуктор давления обратного действия, как и большинстве редукторов других типов, работает с некоторой неравномерностью,

т. е, при изменении давления газа на входе в редуктор несколько

изменяется давление газа и на выходе из него. Зависимость дав­ ления газа на выходе от давления газа на входе в редуктор назы­ вается характеристикой редуктора. Различают два типа характе­

ристик редуктора. Зависимость давления газа на выходе из редук­ тора от давления на входе при отсутствии расхода газа называется статической характеристикой. Это же зависимость при расходе газа через редуктор называется динамической характеристикой.

Давление газа на выходе из редуктора должно быть постоян­ ным и не зависеть от давления на входе в редуктор (в баллоне).

При прекращении подачи компонентов в камеру сгорания редуктор

должен автоматически прекращать доступ газа к рабочим жидко­ стям.

Дроссельные шайбы (ДШ) служат для регулирования расхода компонентов в трубопроводах системы. Ставя дроссельную шайбу с большим или меньшим проходным сечением, можно существенно

уменьшить или увеличить сопротивление системы, что соответствен­ но изменяет расход компонента. При тарировке системы подачи

ЖРД постановка таких дросселей на линиях подачи компонентов неизбежна, так как только благодаря дросселям можно выдер­ жать как абсолютные величины расхода горючего и окислителя, так и их весовое соотношение.

Дренажные клапаны (ДК) служат для дренажа емкостей при

заправке компонентов топлива и стравливания избыточного давле­ ния из топливных баков при хранении изделия в заправленном

виде.

При проектировании двигателя необходимо стремиться к тому,

чтобы его удельный вес был возможно меньше. Чем меньше про­ ходное сечение трубопроводов, кранов и т. п., тем меньше их вес. Однако с уменьшением проходных сечений трубопроводов увели­ чатся потери давления компонентов топлива, и для необходимого секундного расхода нужно увеличивать давление подачи, что чрез­

Для агрессивных компонентов топлива нужно применять трубо­

Изготовление клапанов и других деталей контроля и регулиро­ вания больших расходов рабочих тел требует особого внимания конструктора; особенно это относится к таким ЖРД, где малейшее просачивание рабочих тел может привести к аварии двигателя и боевого аппарата в целом. Объясняется это тем, что в ЖРД обыч­ но применяются различные вещества, начиная от безвредных га­ зов, таких, как азот или воздух, до кипящих, вызывающих корро­

576 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД.

пределах: от —183° С для жидкого кислорода до плюс нескольких сот градусов для газов турбины насосного агрегата.

Наиболее часто в ЖРД применяются запорные, дроссельные, обратные и редукционные клапаны; разрывные мембраны приме­ няются относительно реже. Рабочие условия этих органов могут быть весьма жесткими: переход из полностью закрытого состояния в полностью открытое должен совершаться за весьма короткое время (не более 10—20 мсек). Пуск, зажигание и отсечка больших

расходов компонентов топлива также являются весьма сложными операциями. Поэтому при проектировании двигателя необходимо обеспечить его надежную и нормальную работу при установленных режимах, избежать разрушения трубопроводов, камеры и двигате­ ля в целом во время выполнения указанных операций.

дов и поэтому нуждаются в значительных рабочих нагрузках. Чтобы получить эти нагрузки, например, при использовании соле­ ноидных клапанов, приходится утяжелять клапаны и увеличивать расход тока. Так как в ЖРД обычно имеется источник газа высо­ кого давления, можно использовать и пневматически действующие клапаны. Лишь клапаны, подающие рабочий газ, должны иметь небольшие размеры; они могут быть поршневого и анероидного

типов

При запуске ЖРД компоненты топлива должны поступать

в камеру сгорания двигателя вместе или в определенной последо­ вательности. Для этой цели часто используют спаренные клапаны, которые состоят из двух клапанов и открываются третьим, воздуш­ ным клапаном посредством траверсы, установленной так, что она открывает один клапан раньше другого.

В ЖРД с переменной тягой также необходимо иметь специаль­ ные контрольные клапаны для дросселирования расхода компонен­

тов топлива. Такие клапаны могут оказаться конструктивно очень

и соотношения компонентов топлива количество клапанов различ­ ного назначения и других органов регулирования обычно возрас­ тает.

Диаметр трубопроводов для системы топливоподачи ЖРД под­ бирают исходя из допускаемой скорости движения в них компо­

нентов. Скорость движения жидкости в трубопроводах двигателя