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

Для наиболее важных замеров часто используют параллельно действующие устройства с прямой записью показаний, которые мо­ гут быть обработаны и изучены после испытания двигателя. В на­ стоящее время промышленность выпускает электронные самопишу­ щие устройства, позволяющие вести запись показаний одновременно даже по 50 каналам информации.

В последнее время ведутся работы по внедрению в систему стен­ довых измерений счетных машин, позволяющих получать обрабо­

танные данные непосредственно в ходе испытаний двигателя.

Наконец, следует отметить, что по характеру пламени и шума-

работающего двигателя опытный инженер-испытатель может судить о работе двигателя, соотношении компонентов топлива, расходе топлива, работе форсунок головки, об устойчивой или неустойчивой работе двигателя на том или ином режиме и т. д.

При хорошей работе головки и соответствующем объеме камеры горение топлива почти полностью заканчивается в камере, и пламя на выходе из сопла становится коротким. В противном случае горе­ ние топлива может продолжаться и за соплом камеры. Различные неполадки в работе головки можно обнаружить по характеру пла­ мени за соплом. Так, при частичной закупорке форсунок головки камеры в зависимости от режима и условий работы двигателя будут

появляться в пламени светлые или темные полосы.

Фотоснимок пламени за соплом камеры двигателя позволяет контролировать показания приборов во время испытания двигателя. Поатому обычно во время испытания пламя за соплом камеры фо­ тографируют и в дальнейшем эти снимки используют в качестве вспомогательного материала для оценки качества работы двига­ теля.

Для детального изучения рабочих характеристик головки каме­

ры двигателя иногда производят анализ газов, взятых за соплом камеры. Однако из-за высоких температур и скоростей газов брать их пробы очень трудно. Чтобы получить полную картину состава продуктов сгорания топлива в сопле камеры двигателя, нужно брать ряд проб в различных местах по сечению и длине сопла. Для взятия, проб могут быть использованы зонды, охлаждаемые водой.

§ 3. Обработка данных стендовых огневых испытаний двигателя

Данные стендовых огневых испытаний ЖРД и обмера основных

размеров камеры после испытания соответствующим образом обра­

батывают и анализируют.

По замеренным при эксперименте значениям тяги Р, расхода

топлива в камеру сгорания Gs и давления в ней рк строят дроссель­

ные характеристики двигателя. Наиболее часто строят графики за­ висимости Р, G# и Руд от рк; основным параметром, характеризую­ щим режим работы двигателя, является давление газов в камере

«50 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

сгорания; он удобен как для расчета характеристик, так и для кон­

троля работы двигателя во время испытаний его на стенде и в по­ лете. Эти графики дают возможность сопоставлять между собой ре­

зультаты отдельных запусков двигателя; при получении несоответ­ ствующих данных они дают возможность выявить, какой из пара­ метров во время экспериментов замерен неправильно.

Испытания однорежимных двигателей обычно ведут при посто­ янных значениях давления газов в камере сгорания рк и коэффици­

ента состава топлива %.

Для избежания случайных ошибок при многорежимных стендо­ вых огневых испытаниях двигателя, которые возможны при останов­ ке и повторном запуске, характеристики двигателя целесообразно ■снимать при непрерывной его работе. При этом значение рк может изменяться по определенной программе, например, сначала оно увеличивается ступенями, а затем в такой же последовательности уменьшается; совпадение результатов замеров соответствующих показаний приборов при одинаковом рк позволяет судить о качестве работы двигателя.

При нанесении на график экспериментальных точек Руд следует не забывать о возможности значительных отклонений значений

удельной тяги при запусках в случаях непостоянства коэффициента избытка окислителя а, так как зависимость Рул от а представляет

собой кривую, имеющую максимум. Для исключения добавочного разброса точек от влияния а на величину Руд следует ограничивать­ ся величинами Рул при а в определенных пределах, например, при заданном а=0,75 нужно ограничиваться значениями а=0,704-0,80.

Анализ совершенства работы камеры сгорания и сопла двигате­ ля обычно производят сопоставлением действительных значений

удельной тяги Руд, удельного импульса давления газов в камере сго­ рания р, коэффициента тяги Л^и других параметров, вычисленных

по обработанным данным огневых испытаний двигателя, с их теоре­ тическими значениями Руд т, т. /<п т и др.

Теоретические характеристики применяемого в двигателе топли­ ва и процесса его сгорания при соответствующих условиях можно взять из таблиц или графиков или вычислить термодинамическим

расчетом камеры двигателя в предположении отсутствия в ней по­ бочных потерь энергии сжигаемого топлива, кроме диссоциации газов.

Для оценки полноты сгорания топлива в камере сгорания испы­

туемого двигателя можно использовать параметр

состоящий из величин, замеренных во время испытаний двигателя. При равенстве между замеренным при испытаниях секундным

расходом топлива в камеру сгорания Gs и его теоретическим значе­

нием GST физическую полноту сгорания топлива в двигателе можно

выразить в виде отношения действительного [3 и теоретического |3 т

импульсов давления газов в камере сгорания, т. е.

коэффициента тяги Kn = P>pKFKp находим P = Kj)KFKP, то действи­ тельную удельную тягу испытуемого двигателя можно выразить

формулой

р Р FuPkFкр

(13.3)

На этом основании сравнивать качество работы различных рас­ пылительных головок на одной и той же камере при одинаковом давлении в ней можно при помощи равенства

£уд1__1_

(13.4)

Ру12. 2

где индексы 1 и 2 относятся к первой и второй испытуемым голов­ кам камеры двигателя.

Это равенство позволяет также контролировать правильность измерения тяги или давления газов в камере сгорания при экспери­ менте сопоставлением замеренных величин с данными других запу­ сков.

Потери энергии газов в сопле камеры двигателя вследствие несо­ вершенства процесса истечения (некоторой неравновесности про­

цесса в закритической части, трения, несоосности скоростей в вы­ ходном сечении и скачков уплотнения) можно определить сопостав­

Кп = —— =-^~5вР-а,

Т’к^кр PvFкр

где фс — коэффициент полноты скорости истечения газов из сопла камеры;

Р — замеренная тяга двигателя.

кислород при а = 0,7 замерены Р= 10 850 кг, G^ = 44,6 кг)сек, рк = 20,5 ата

и рз = 1 ата.

Решение.

1. По замеренным данным во время испытаний камеры получим: а) удельную тягу камеры:

ее замеренных рабочих параметрах (рк и Gs) и ранее вычисленном /,„ = 0,5 ата находим Руд = 257 кг сек\кг, рт = 181 кг сек[кг и КПл= 1,685.

654 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

Эта потеря удельной тяги камеры обусловлена: а) физической неполнотой сгорания топлива

В180,5

д? =1 — -у- = 1 — ——%- = 1 —0,997 = 0,003 = 0,3%;

Более точно можно вычислить Д®Охл п° количеству уносимого тепла охлаж­ дающей проточной водой в течение определенного времени испытания камеры двигателя на заданном режиме работы. Для этого необходимо замерить расход охлаждающей воды за время испытания и ее температуру на входе в охлаж­ дающий тракт камеры и выходе из него.

Пример 2. Определить показатель п политропы расширения газов в сопле камеры двигателя, если во время ее стендовых огневых испытаний замерены />к = 22 ата и рв = 1 ата\ относительная выходная площадь сопла /в=3,88.

2. ПО результатам вычислений строим график /в=/(л) и по этому гра­ фику при /в = 3,88 находим искомое значение л = 1,21.

Пример 3. Определить потерю тяги камеры двигателя относительно ее расчетного значения, а также потерю расчетной теоретической тяги вслед­ ствие конусности сопла у выходного сечения при ав=16°, если замеренная тяга этой камеры Р = 10 т, а расчетная теоретическая тяга при соответствую­ щих замеренных рабочих параметрах (рк, рв, а и Gs) равна Рт = 10,8 т.

Решение.

1. Потеря тяги экспериментальной камеры относительно ее расчетного теоретического значения

=10,8-0,995= 10,746.

3.Потеря расчетной теоретической тяги камеры вследствие конусности сопла у выходного сечения

Р50 000

3. Скорость истечения газов в выходном сечении сопла камеры и'в = и'эф — До-= 2250 — 28,8 = 2221,2 м/сек.

Эту же скорость можно определить по формуле тяги в общем виде, т. е.

656 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

Пример 5. Определить приближенно действительную температуру сгорания

Тк жидкого аммиака с жидким фтором при рк = 1ОЭ ата и а=1, если расчетная теоретическая температура сгорания этого топлива Тк. т=4600°К.

Решение.

1. Принимаем коэффициент полноты давления газов в камере сгорания дви­ гателя фрк=0,98.

2. Определяем коэффициент полноты температуры газов <?г в камере сгора­ ния двигателя по выражению

__L

Принимая (с небольшой погрешностью) Дк~Дк.т 11 -4К —А к.т . получим

. откуда коэффициент полноты температуры газов будет

<т=—=<2„ =0,982=0,9604.

7 Лет Рк

3.Действительная температура продуктов сгорания данного топлива равна

Тк^т Лст = 0,9604-4600=^4418° К.