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

■640 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

исследования в направлении постройки многокамерного двигателя

с тягой в 700 т.

Во время заводского серийного производства каждый изготов­ ленный двигатель проходит по особым программам кратковремен­ ные.гидравлические, пневматические и технологические огневые испытания на стенде. Последние испытания проводятся для опреде­ ления или уточнения основных паспортных характеристик двига­ теля.

В случае качественного изготовления камер двигателя техноло­ гические огневые испытания могут проходить около 5—10% от изго­ товленной партии. При хорошо налаженном производстве двигате­ лей этот вид испытаний камер должен совсем отпасть. К тому же затраты на эти испытания камер больших тяг весьма значительны.

Поэтому стендовые испытания особенно конструктивно простых двигателей с малым одноразовым ресурсом работы целесообразно ограничивать проверкой действия только их электрической и пнев­ матической систем.

Самолетные ЖРД проходят почти такие же испытания, как и обычные турбореактивные. Каждый агрегат испытывают во всем

диапазоне тяги, проверяют зажигание топлива, его сгорание и рабо­

чие характеристики, чтобы убедиться, что они удовлетворяют техни­

ческим условиям. Производят испытания и в особых условиях, на­ пример, испытание системы зажигания в высотных условиях полета.

При испытании самолета Me-163 немцы наполняли топливные баки водой, а пар для турбонасосного агрегата брали из внешнего источ­ ника. Таким образом, можно было проверить работу клапанов без дорогого топлива.

Огневые стендовые испытания двигателя также можно прово­ дить с чисто исследовательскими целями по весьма разнообразным программам (для изучения процессов сгорания топлива, определе­ ния зависимости Р7Л от а, экономичности работы при соответствую­ щих режимах работы, проверки эффективности способов распыла компонентов топлива и др.).

Для опытной проверки теоретических расчетов удельной тяги,

развиваемой двигателем при работе на различных топливах, обычно создают особые экспериментальные установки.

Учитывая трудности приготовления исследуемых топлив в боль­ ших количествах и в целях минимальных затрат на эксперименты, эти установки выполняют на малую тягу (порядка 100—250 кг). Чтобы результаты испытаний использовать для объективной оценки эффективности различных исследуемых топлив, камеры экспери­ ментальных установок выполняют на высокие давления (в пределах 20—60 ала), так как чем больше давление в камере сгорания, тем больше полнота сгорания топлива. Применение высоких давлений

сгорания топлива вызывает весьма жесткие требования к охлажде­ нию камеры. В этих случаях в качестве охлаждающего агента часто ■ служит вода, обладающая хорошими охлаждающими свойствами.

642 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

чается в работу только при определенном (правильном) положении серьги, которая находится только у лица, ответственного за прове­

дение испытания двигателя.

Расположение оборудования в таком стенде зависит от вида испытания, но двигатель всегда монтируется около открытого кон­ ца бокса, чтобы предупредить большие разрушения в случае взры­ ва. Если во время испытаний двигателя не требуется замерять его тягу, стенд может быть простой,

жесткой конструкции, в противном

пже случае необходим стенд, до­ пускающий некоторое перемеще­ ние двигателя.

Обычной конструкцией испы­ тательного стенда в этих случаях является подвижный параллело­ грамм (фиг. 13.2). Неподвижный

параллелограмм более сложен, но

имеет то преимущество, что тяга

щий особое здание и состоящий из специального станка для уста­ новки и испытаний двигателя, приборов и аппаратуры для замера тяги, секундных расходов компонентов топлива, давлений, темпе­ ратур и других величин.

Топливные баки, некоторые приборы и аппаратуру часто уста­

навливают в особом помещении бокса.

2. Кабина управления испытаниями двигателя, часто представ­ ляющая собой отдельное железобетонное или кирпичное брониро­ ванное здание, в котором устанавливают приборы, органы управле­ ния и устройство связи между оператором и обслуживающим персо­

3.Подсобное помещение станции, в котором двигатель подго­

товляют к испытаниям (проверяют техническое состояние двигате­ ля, наличие документации и т. д.).

4.Механическая мастерская, в которой располагают оборудова

644 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

ния испытаниями двигателя располагают вблизи бокса (часто с ле­ вой стороны его). Со стороны бокса она имеет несколько смотровых окон для визуального наблюдения за процессом испытания. Стекла этих окон выполнены из плексигласа достаточной толщины.

Управление запуском двигателя — дистанционное.

Организация стендовых испытаний предусматривает строгое со­ блюдение правил техники безопасности. Проводится подробный

инструктаж обслуживающего персонала о правилах поведения и регламентируется порядок операций. Перед запуском двигателя

оператор подает сигнал (обычно сиреной), предупреждающий о на­ чале огневого испытания двигателя.

На огневых стендовых испытаниях двигателя обычно замеряют следующие параметры двигателя:

1)абсолютную тягу двигателя;

2)секундные расходы горючего и окислителя в камеру сгорания,

атакже вспомогательных рабочих тел;

3)давление горючего и окислителя перед форсунками во всасы­

вающей и нагнетающей магистралях;

4)давление в камере сгорания;

5)температуру компонентов топлива на входе в двигатель, тем­

пературу охлаждающего агента на входе в камеру и выходе из нее;

6)температуру газа в камере сгорания и стенок внутренней обо­

лочки камеры сгорания и сопла;

7)давление и скорость газов на выходе из сопла;

8)химический состав продуктов сгорания топлива.

Перечисленные измерения производят как при запуске и оста­

новке двигателя, так и во время установившегося режима работы

двигателя.

Силу тяги, расход и давление жидкости и газов в настоящее вре­ мя определяют с достаточной степенью точности.

В качестве приборов для измерения тяги могут быть использо­ ваны пружинные динамометры, гидравлические или пневматические

месдозы и датчики тензометрического типа. Для измерения тяги

иногда используется динамометрическое устройство, состоящее из шарнирного параллелограмма, от которого тяговое усилие передает­ ся на маятниковый динамометр.

Обычной конструкцией станка для установки и замера тяги дви­ гателя является, как уже отмечено выше, подвижный или неподвиж­ ный параллелограмм или люлька, подвешенная на упругих сталь­ ных лентах. При таких устройствах стендов тяговое усилие пере­ дается непосредственно передатчику тяги — месдозе (фиг. 13.4)

или прибору другого типа. Давление в месдозе измеряется маномет­ ром первого класса. Точность замера тяги посредством упругих эле­ ментов и мембранной проточной месдозы обычно не превышает 0,5% при погрешности манометра, измеряющего давление в месдозе, не более 0,35%. Тарировку месдозы обычно производят при помощи эталонных грузов и коленчатого рычага.

Испытательные стенды оборудуют так, чтобы монтаж двигателя и его испытание можно было проводить в кратчайший срок. Иногда возникает необходимость измерить боковые составляющие тяги или даже крутящий момент, создаваемый газовыми рулями камеры дви­

гателя. Для этого требуется очень сложное измерительное устрой­ ство, похожее на аэродинамические весы.

Измерение расходов рабочих тел во время испытаний двигателя

жидкостей, в том числе и вызы­

вающих коррозию, при различ­

ционный расходомер (фиг. 13.5). Он состоит из трех основных частей:

1) датчика расходомера, смонтированного на трубопроводе;

вдатчике генерируются электрические импульсы с частотой, про­ порциональной расходу жидкости в трубопроводе;

2)электронного реле, преобразующего электрические импульсы

впостоянный ток, пропорциональный частоте;

3)указателя стандартного типа, представляющего миллиам­ перметр на 1 ма, подобранный в соответствии с особенностями

применения; шкала может быть градуирована в любых еди­

ницах.

Приемник расходомера представляет собой трубу, внутри кото­ рой помещен четырехлопастный винтовой ротор. Одна из лопастей этого ротора имеет магнитную вставку; противоположная лопатка соответствующим образом уравновешена.

Индуктором расходомера является катушка с железным сердеч­

ником, помещенная в корпусе, который ввинчен в трубу приемника

так, что катушка лежит в поле магнита ротора.

элементом которого являются специальные угольные диски, меняю­ щие свою электропроводность в зависимости от нагрузки, создава­ емой мембраной.

Компенсирующая

Фиг. 13.6. Схематический разрез датчиков давления.

/—емкостный датчик. 2—потенциометрический датчик, 3—тензодатчик. 4—индуктив- ный датчик.

Применяются также датчики, работающие на принципе измене­ ния емкости. В них давление, воздействуя на диафрагму, изменяет

объем между ней и неподвижно закрепленной пластинкой. Это изменение объема влияет на величину сигнала, который передается на прибор с определенной частотной модуляцией. Если датчик дол­ жен работать с газами высокой температуры, то он охлаждается водой. Датчик должен быть прочным, способным выдержать высо­

кие ударные нагрузки, которые получаются во время запуска двига­ теля, работать надежно, без погрешностей, быть нечувствительным

648 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

к температурным отклонениям и обеспечивать линейную зависи­

мость между давлением и тягой двигателя.

Так как двигатель обычно проектируется и строится для работы

с минимальным запасом прочности его отдельных элементов, тем­ пературы рабочих тел для него имеют весьма большое значение.

Температуру компонентов топлива и стенок внутренней оболоч­

ки камеры по ее длине можно замерять при помощи термопар. Для замера температуры внутренней оболочки камеры термопары пред­ варительно заделывают в оболочку. Однако точность этих измере­ ний невелика, поскольку в оболочке имеет место значительный тем­ пературный перепад, а термопара имеет размеры, соизмеримые с толщиной оболочки.

Температуру компонентов топлива перед двигателем часто при­ нимают равной температуре жидкости в баке, так как температура трубопроводов перед запуском двигателя весьма незначительно отличается от температуры помещений, в которых находились баки. Температуру компонента на выходе из охлаждающей рубашки ка­ меры измеряют термопарами.

Сложную проблему представляет измерение температуры газа

на выходе из сопла камеры двигателя. Высокая температура и боль­ шая скорость газа в этом сечении сопла делают эти измерения трудно выполнимыми и неточными. Для этой цели применяют опти­ ческие пирометры. Для определения температуры газов и скорости их истечения можно использовать спектроскопический метод, осно­ ванный на принципе Допплера.

Скорость газового потока в выходном сечении сопла камеры дви­ гателя является переменной величиной по поперечному сечению соп­ ла. Поэтому значение средней эффективной скорости истечения газов из сопла данного ЖРД легко определить по замеренной тяге и секундному расходу топлива в камеру сгорания.

Все измерительные приборы тарируют обычно непосредственно перед запуском двигателя и сразу же после него, чтобы устранить всякие отклонения от показаний контрольного прибора.

Для изучения характера быстро протекающих процессов в дви­

гателе во время запуска, его работы и остановки на станции обыч­ но применяют высокочувствительную электронную аппаратуру с автоматической регистрацией показаний приборов (фотографиро­ вание, запись и т. д.) с одновременной отметкой времени.

Приборы обычно группируют на одной панели и показания фо­ тографируют через определенные промежутки времени. При таком методе регистрации показаний можно использовать приборы обыч­ ного типа и читать показания прямо с фотопленки без расшифров­ ки. На проявление фотопленки и для последующего нанесения ре­ зультатов на диаграмму и их анализа требуется некоторое время,

что является существенным недостатком, когда результаты анализа

срочно необходимы для корректирования условий следующего испытания.