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

венно потребному сроку службы.

Осуществляя запуск ЖРД больших тяг только у земли, мы тем самым упрощаем конструкцию двигателя и уменьшаем его вес, так как органы зажигания и механизмы раскрутки турбины для за­ пуска двигателя (стартеры) могут быть конструктивно отделены от

двигателя и входить в комплект наземного оборудования стартовой площадки.

Стартеры необходимы в тех случаях, когда турбины питаются насосами, приводимыми самой турбиной. В этом случае запуск и система регулирования оказываются много сложнее. Однако авто­ номная система пуска и управления двигателя сжатым воздухом неприменима для мощных двигателей, расходующих большие ко­ личества топлива, ввиду ее тяжеловесности и громоздкости. По­ этому для двигателей с тягой свыше 50 т, очевидно, должна быть принята более совершенная схема самообслуживания турбины, не требующая расхода воздуха.

Так как заданная тяга ЖРД может меняться ступенями, то особое требование к системе управления двигателя в этом случае

заключается в том, чтобы она обеспечивала строго определенный закон изменения тяги и выключение двигателя тогда, когда это требуется по условиям полета снаряда.

4. Процессы запуска и остановки двигателя должны быть пол­ ностью автоматизированы, эксплуатировать его может только высо­ коквалифицированный персонал.

В зависимости от условий эксплуатации и конструкции ЖРД

двигатель останавливается либо после закрытия отсечных клапа­ нов подачи компонентов топлива, либо после полного израсходова­ ния топлива из баков. В некоторых случаях производится ступен­

чатая остановка двигателя, т. е. двигатель сначала переводится на меньшую тягу и только после этого он выключается полностью.

При остановке двигателя, так же как и при запуске, нельзя допускать скопления компонентов топлива в камере сгорания. Скопление компонентов топлива в камере сгорания после остановки двигателя возможно вследствие медленного подтекания их в виде остатков из различных полостей трубопроводов и отсечных клапа­ нов, а также из-за неплотного закрытия последних. Скопившееся

вгорячей камере сгорания топливо может внезапно воспламениться

идать хлопок большой силы, нередко приводящий к взрыву двига­

теля. Для уменьшения скопления компонентов топлива необходимо ставить отсечные клапаны возможно ближе к форсункам. Кроме того, конструкция этих клапанов должна гарантировать полную от­ сечку подачи компонента.

Для надежной остановки двигателя, т. е. избежания скопления

компонентов топлива в горячей камере сгорания и взрыва их после

остановки двигателя, камеру продувают воздухом или азотом.

620 Гл. 12., Некоторые вопросы эксплуатации ЖРД

При стендовых испытаниях после остановки камеру продувают обычно воздухом из дополнительных магистралей, имеющихся на стенде. Продувка двигателей может также производиться одним из компонентов топлива или в случае вытеснительной системы топ­ ливоподачи — газом, вытесняющим компоненты топлива из баков в камеру сгорания.

Давление воздуха для продувки должно превышать рабочее дав­ ление компонентов топлива в коммуникациях на 0,5—1,0 атм.

Высокое качество горючей смеси, совершенная конструкция дви­

гателей и технически грамотная эксплуатация их исключают слу­ чаи взрывов ЖРД и дают возможность работать на них с высокой степенью надежности.

Случаи взрыва двигателей из-за их недостаточной прочности или неудовлетворительного охлаждения обычно носят эпизодиче­ ский характер и объясняются либо недоброкачественным выполне­

нием сварных швов оболочек камеры сгорания и сопла, либо отступ­ лениями от технических условий на их изготовление.

В трубопроводах должен быть предусмотрен дренаж как для освобождения от компонентов топлива, так и для удаления из них воздушных пробок. Они должны иметь высокую прочность и эла­

стичность при отсутствии участков с резким изменением направле­ ния движения жидкости, способных вызвать гидравлические удары

всистеме и разрывы.

§3. Пушечный запуск ЖРД на самовоспламеняющихся

компонентах топлива i

Для вывода азотнокислотных ЖРД зенитных снарядов на ра­ бочий режим иногда применяется так называемый «пушечный» за­

пуск двигателя (подобно немецкому снаряду «Тайфун»), При таком запуске двигателя в топливных баках вначале со­

здается давление, равное или близкое к рабочему давлению подачи. После этого разрываются мембраны или быстро открываются от­ сечные клапаны, преграждающие доступ компонентов топлива в камеру сгорания до запуска двигателя.

Под действием давления компоненты топлива устремляются из

баков в порожние участки трубопроводов и в полости головки ка­

меры двигателя. Один из компонентов проходит также через охлаж­ дающий тракт камеры. При этом жидкости движутся в коммуника­ циях системы с колеблющимися скоростями вследствие местных сопротивлений и столкновения на пути с воздухом и газом, обра­ зующимися при сгорании пиропатронов, прорывающих мембраны. Средние скорости течения жидкостей меняются по времени в зави­

симости от конструкции коммуникаций двигателя и расположения

1 Вопросы ракетной техники, 1957, №' 1, ИЛ, Экспресс-информация АН СССР, выгт. 18 РТ-53, 1957.

в них местных сопротивлений. Наибольшее гидравлическое сопро­ тивление создают форсунки камеры сгорания.

Компоненты топлива поступают в камеру сгорания не из всех форсунок одновременно; один из компонентов обычно входит в го­ ловку первым. При этом коэффициент состава топлива меняется в зависимости от опережения подачи окислителя или горючего от бесконечности до заданной величины.

Отсутствие избыточного давления внутри камеры сгорания во время запуска двигателя и возникающий при этом значительный

гидравлический удар перед форсунками приводят к тому, что к на­

чалу запуска через форсунки в камеру сгорания поступит чрезмерно большое количество топлива. За время задержки воспламенения компонентов в камере сгорания скопляется большое количество горючей смеси (при рк=30 ата расход топлива в камеру двигателя

может достигать примерно 250% от номинального значения, при

котором перепад давления в форсунках равен ~7 ата). Взаимодействие между двумя самовоспламеняющимися компо­

нентами топлива в период запуска двигателя условно можно разде­ лить на три стадии.

Первая стадия протекает в жидкой фазе и в основном на гра­ нице раздела жидкостей (поверхности контакта), в результате чего выделяются промежуточные продукты в виде непрозрачного облака,

содержащего как парообразные, так и капельно-жидкие и твердые вещества — «парогаз». В парогазе протекает вторая стадия процес­ са, оканчивающаяся появлением одного или нескольких очагов вос­ пламенения.

Третья стадия процесса характеризуется распространением пла­ мени по всему парогазу с образованием конечных продуктов реак­ ции. При этой стадии резко повышаются давление в камере сгора­ ния и расход газа через сопло камеры и снижается расход топлива через форсунки.

При определенных условиях пусковое давление образовавшихся газов в камере сгорания более чем в 2 раза может превысить номи­

нальное давление, соответствующее установившемуся номинальному режиму работы двигателя. Через короткое время следует спад дав­

ления в камере сгорания, затем новое нарастание расхода через форсунки и т. д.

Если двигатель в работе устойчив, то после первого «пика» дав­

ления в камере сгорания наблюдаются один-четыре периода рез­

ких колебаний, которые затем быстро затухают.

Процессы «пушечного» запуска двигателя весьма сложны и поэтому пока не поддаются расчетам.

При запуске ЖРД весьма важное значение имеет быстрота вы­ горания смеси парогаза и капель после того, как период задержки самовоспламенения истек. Можно считать, что в нем участвует не

вся масса парогаза, жидкие частицы (капли) еще не прогреты и испаряются слабо. В середине процесса выгорание идет наиболее

622 Гл. 12. Некоторые вопросы эксплуатации ЖРД

интенсивно, включая в себя испарение основной части массы ка­ пель и газа. Наконец, заключительная стадия воспламенения дол­ жна характеризоваться сравнительно слабым догоранием.

Следовательно, «пушечный» запуск ЖРД на самовоспламеняю­ щихся компонентах топлива обычно сопровождается (фиг. 12. 1):

1) значительным гидравлическим ударом перед форсунками с затухающими колебаниями давления, в результате которого в ка­ меру сгорания поступает чрезмерно большое количество топлива

(в этот момент давление в камере сгорания не превышает 1 ата);

Давление перед форсунками еорючего

Давление перед форсунками окислителя,

3

Е

Ф!иг. 12. 1. Изменение давления при запуске ЖРД.

2) резким повышением давления в камере сгорания вследствие внезапного воспламенения и сгорания скопившейся в ней за время

задержки самовоспламенения горючей смеси, в результате чего временно задерживается нормальное поступление в камеру сго­ рания новых порций топлива и иногда может разрушиться двига­ тель.

Главной целью при проектировании системы топливоподачи ЖРД является стремление:

1)минимально сократить продолжительность запуска двига­

теля;

2)избежать чрезмерной пусковой перегрузки камеры сгорания силами давления образующихся в ней газов в момент запуска дви­

гателя.

Продолжительность запуска зависит главным образом от вре­ мени срабатывания автоматики и быстроты создания необходимого давления подачи компонентов в камеру сгорания. Время от момен­

та выхода компонентов из форсунок до достижения полного давле­ ния в камере сгорания двигателя практически равно 0,05—0,1 сек., что составляет лишь часть общего времени (1—2 сек.), обычно от­ водимого на запуск двигателя по «пушечной» схеме.

Под пусковой перегрузкой камеры сгорания принято подра­

зумевать отношение максимального давления в камере сгорания

в момент запуска двигателя рПуск к давлению в камере сгорания во

Рк

При «пушечном» запуске двигателя избежать значительной пе­ регрузки камеры сгорания удается только при некоторых пусковых топливах. Наиболее приемлемым топливом для этой цели являет­ ся, например, ксилидин или горючее тонка-250 и меланж (смесь азотной и серной кислот) в качестве окислителя (этот окислитель представляет собой 40 или 50%-ный раствор олеума H2SO4 в азот­ ной кислоте). Эти топлива малоэффективны для основного режима работы двигателя из-за низкой их теплотворности.

В настоящее время существуют и другие самовоспламеняющиеся

компоненты топлива, обеспечивающие относительно большую удель­ ную тягу, но запуск двигателя на этих топливах по «пушечной» схе­ ме дает высокие перегрузки камеры сгорания.

На пусковую перегрузку камеры сгорания ЖРД влияют в основ­ ном следующие факторы.

1. Задержка самовоспламенения топливной смеси тзаж, которая представляет собой промежуток времени от момента соприкосно­ вения горючего с окислителем в камере сгорания до возникновения

избыточного давления в ней.

Величина этой задержки определяет возможность и техническое оформление запуска ЖРД на данном топливе, а также в значитель­ ной степени обусловливает дальнейший процесс горения топливной смеси в камере сгорания. Чем меньше тс компонентов топлива, тем меньше скопится топлива в камере сгорания в момент запуска и тем меньше будет ее перегрузка.

2. Весовое накопление топлива в камере сгорания за время за­ пуска двигателя

а также характер открытия отсечных кла­ панов или мембран при условии, что горючее и окислитель поступают в камеру сгорания одновременно, причем величины их расхода определяются давлением подачи в топливных баках.

Величина первого максимума давления жидкостей перед форсун­

ками в результате гидроудара оказывает существенное влияние на коэффициент ф. Смягчение тем или иным путем гидравлического удара может ослабить пусковую перегрузку камеры сгорания. Зна­ чительное пенообразование жидкости на пути от баков к форсун­ кам при встрече с воздухом и газом сгоревших пиропатронов раз­ рывных мембран несколько снижает гидроудар у головки камеры.

3. Качество распыла компонентов топлива, так как грубое сме­ шение увеличивает время сгорания образовавшейся горючей смеси при запуске тсг и тем уменьшает перегрузку камеры сгорания дви­ гателя.

Однако этот путь снижения паер практически неприемлем, ибо

смесеобразование в ЖРД выполняется по принципу получения прежде всего высокой экономичности и устойчивости работы двига­ теля, для чего требуются хорошие распыл топлива й смешение ком­

понентов. Поэтому маловероятно, что какие-либо рекомендации по снижению пПер за счет ухудшения смесеобразования могут найти

практическое применение, если они будут противоречить требова­ ниям экономичности и устойчивости рабочего процесса в камере сгорания двигателя.

4. Теплотворность топлива, характеризуемая свойствами его компонентов и коэффициентом состава X-

Известно, что тепловой баланс существенно влияет на скорость сгорания горючей смеси в камере сгорания в момент запуска дви­ гателя. Тепловой баланс топливной смеси определяется в значитель­ ной мере ее теплотворностью, концентрацией продуктов реакции и потерями тепла в камере сгорания в момент запуска двигателя. Чем ниже теплотворность пусковой топливной смеси, тем меньше может быть давление в камере сгорания в момент запуска.

5. Внешние условия работы двигателя, т. е. давление и темпера­ тура окружающей среды, так как от них частично зависит задержка воспламенения топливной смеси при запуске, а следовательно, и пусковая перегрузка камеры сгорания. Понижение температуры ат­ мосферного воздуха уменьшает химическую активность топливной

смеси и увеличивает задержку самовоспламенения. Понижение ат­ мосферного давления усиливает гидроудар перед форсунками вслед­

ствие уменьшения противодавления потоку жидкостей на пути от баков в камере сгорания. Это приводит к увеличению <>узк и ппер. Та­ ким образом, суммарное действие понижения давления и темпера­

запуска ЖРД.

6. Давление подачи компонентов топлива в камеру сгорания ръ, величина свободных объемов перед головкой камеры, сгорания, ее приведенная длина /ПР и другие факторы.

Исследование факторов, влияющих на характер нарастания дав­ ления в камере сгорания, представляет большое практическое зна­

чение.

Закон выгорания горючей смеси при запуске двигателя теоре­ тически можно принять близким к синусоидальному, при котором выгорание в момент конца задержки воспламенения равно нулю, а в конце процесса реакции — единице.

Сейчас вполне очевидна целесообразность чисто конструктивных мероприятий, направленных на снижение ф и, следовательно, ПпеР-

Например, снизить коэффициент ф можно простым конструктив­ ным разделением головки камеры двигателя на несколько секций с таким расчетом, чтобы они вступали в работу постепенно. Кратко­ временно (на период пуска) затормозить жидкость можно и други­ ми средствами. Так, например, в одном из выполненных азотнокис­ лотных двигателей для зенитного снаряда 1 подача компонентов топ­ лива в камеру в момент запуска двигателя регулируется специаль­ ными пусковыми гидромеханическими клапанами. В каждом из этих клапанов перемещение небольшого поршня рассчитано так, что он

открывает в течение секунды проходное сечение для компонента топ­ лива, подаваемого в камеру сгорания, от нулевого до полного рас­

хода.

При такой системе постепенной подачи компонентов топлива в камеру сгорания обеспечивается легкий и быстрый выход двигателя на режим, а максимальная тяга развивается через 0,6 сек. после

включения его в работу.

Итак, надежность запуска ЖРД определяется применяемой си­ стемой запуска. Надежность работы и остановки ЖРД определяет­ ся рядом других факторов. Надежность остановки в стендовых усло­ виях может быть хорошо проверена только при том способе останов­

ки, который применен в реальном двигателе снаряда.

Основными факторами, влияющими на устойчивость стационар­ ного процесса ЖРД, являются процесс преобразования топлива в газообразные продукты и характеристики гидравлической системы

двигателя и камеры сгорания.

§ 4. Ресурс работы двигателя

Под ресурсом работы ЖРД подразумевается гарантированный заводом-изготовителем срок надежной работы двигателя на номи­ нальном режиме.

1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 44 РТ-132, 1957.

40 371

факторов, главными из которых являются:

1.Вид применяемого топлива; физико-химические свойства его

ивысокая температура сгорания в большей или меньшей мере агрессивно действуют на конструкционные материалы двигателя, определяя их срок службы (в совокупности с другими факторами). Особенно агрессивны к большинству конструкционных материа­ лов такие окислители, как азотная кислота, фтор и их производные. Фтор и его производные к тому же сгорают при сравнительно высо­ ких температурах.

2.Способ распыла компонентов топлива; качество смесеобразо­

вания в камере сгорания влияет на характер теплообмена, терми­

ческие и вибрационные нагрузки двигателя, а следовательно, на

ресурс его работы.

3.Давление в камере сгорания; при увеличении давления повы­ шается температура продуктов сгорания данного топлива, что спо­ собствует химической и механической агрессивности этих продук­ тов к конструкционным материалам двигателя (ускоряется вымы­

вание потоком газов материала внутренней оболочки камеры).

охлаждения камеры сгорания и сопла, что при определенных усло­ виях может вызвать пульсационное сгорание топлива, перегрев и прогар внутренней оболочки камеры. Поэтому изменять режим ра­ боты двигателя практически следует в строго определенных преде­ лах, установленных заводом-изготовителем.

5.Конструкция камеры двигателя; в хорошо отработанной кон­ струкции статические, термические и вибрационные нагрузки могут быть сведены до минимума, что увеличит ресурс работы двигателя.

6.Качество изготовления двигателя; в случае производственных дефектов (недоброкачественного изготовления или монтажа его отдельных элементов) возможны чрезмерный перегрев внутренней оболочки камеры, отказ в работе автоматики и другие последствия,

которые могут уменьшить установленный ресурс работы двигателя

идаже вызвать его взрыв.

Реальность осуществления двигателя с повышенной удельной тягой и значительным ресурсом работы во многом зависит от того, насколько удачна будет система охлаждения камеры.

Ресурс работы охлаждаемых ЖРД невелик и обычно измеряется минутами, десятками минут и самое большее часами.

По условиям одноразового применения снарядов требования к ресурсу работы двигателя оказываются весьма ограниченными.

При этом ресурс двигателя должен быть равен потребному времени работы его на активном участке траектории полета снаряда. Хотя это весьма облегчает достижение потребного ресурса, однако не нужно забывать, что теплоемкость горячих частей двигателя и ин­ тенсивность тепловых потоков в нем таковы, что тепловой режим

Глава 13

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ДОВОДОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖРД

Проектирование и расчет являются весьма важным этапом в соз­ дании новой конструкции ЖРД. Основные проблемы, которые не­ обходимо решать при этом, состоят в преодолении физических пре­

пятствий, задерживающих развитие ЖРД (работа двигателя при высоких температурах, борьба с неустойчивостью его работы, за­ щита огневой оболочки камеры от перегрева, освоение новых топ­ лив, использование атомной энергии).

В настоящей главе приведены краткие сведения об этапах про­

ектирования ЖРД в целом и основных видах его доводочных стен­ довых испытаний, а также об испытательных станциях и применяе­ мых при испытаниях приборах и измерительной аппаратуре.

§ 1. Этапы проектирования ЖРД

Проектирование и расчет ЖРД обычно производят на основе конкретных технических условий (ТУ), в которых определены наз­ начение и программа работы двигателя, его номинальная, макси­ мальная и минимальная тяги, вид применяемого топлива, требо­ вания к экономичности, удельному весу, стойкости при длительном хранении и др.

Весьма важным при проектировании ЖРД является выбор ком­ понентов топлива, основных рабочих параметров, типа и принци­

пиальной схемы двигателя, конструкционных материалов и компо­ новка элементов двигателя.

Тип и конструкция двигателя, его характеристики и вид исполь­ зуемого в нем топлива в основном обусловливают конструкцию, га­

баритные размеры, вес и летные характеристики летательного ап­ парата. Поэтому весьма важно спроектировать для аппарата задан­ ного назначения такой двигатель, который был бы надежным, эко­ номичным в работе и при прочих равных условиях обеспечивал ап­ парату наилучшие характеристики.

Спроектировать двигатель заданного назначения — это значит: