488 |
Гл. |
10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД |
||||
^под ~ (0,03 н-0,06) Урасч — объем |
газовой |
подушки в |
баке, необ |
|||
|
|
ходимый |
для |
предупреждейия |
чрезмерного |
|
|
|
повышения давления в баке из-за объемного |
||||
|
|
расширения компонента топлива при повыше |
||||
|
|
нии температуры после заправки и газовыде- |
||||
|
|
ления в результате протекающих в нем хими |
||||
|
|
ческих реакций, а также для смягчения вне |
||||
|
|
запного удара поступающего газа о поверх |
||||
|
|
ность жидкости при вытеснительной системе |
||||
|
|
топливоподачи при запуске. |
|
|||
|
Значение Vrap тем больше, чем менее совершенно внутрибаковое |
|||||
устройство |
и больше период |
запуска и |
маневренность снаряда. |
|||
Время работы ЖРД на стартовой установке определяется в основ ном системой запуска двигателя. При пушечном запуске это время составляет около 0,2 сек.; при ступенчатом запуске двигателя оно достигает 2—3 сек.
Объем газовой подушки в соответствующем баке нужно опре делять с учетом возможного повышения в нем давления вследствие увеличения температуры компонента топлива в условиях эксплуа тации двигателя. Значение этого давления обусловливается кон
струкцией топливных баков и особенностями гидравлической си стемы топливоподачи двигателя; в вытеснительных системах оно не должно превышать давления разрыва запорных мембран
(5—8 ата), так как иначе возможен самопроизвольный запуск дви
гателя.
В зависимости от условий применения снарядов с ЖРД темпе ратура атмосферного воздуха может колебаться от —40 до +50° С.
При изменении этой температуры обычно изменяются температура и объемы компонентов топлива и воздушных подушек в баках.
Потребный объем бака для данного компонента топлива с уче
том объема воздушной подушки можно |
определить |
следующим |
образом. |
бак при |
температуре |
Если компонент топлива заправляют в |
||
—40° С, то объем его будет |
|
|
1VГкомп ( —40’) — ■ (-'комп |
, |
|
7 (-40’) |
|
|
а. свободный объем в баке (воздушной подушки) выразится фор мулой
Va (_40’) = vb - Комп (-40’) = VB---- ,
7(-40 )
где Окомп —вес данного компонента топлива для работы двига теля в течение заданного промежутка времени;
1/Б —потребный объем бака для данного количества ком понента топлива с учетом объема воздушной подушки;
£ 2. Основы проектирования и расчета топливных баков |
489 |
Y(_4o°) —удельный |
вес |
этого |
компонента при температуре |
||
-40° С. |
|
|
|
|
|
При нагревании компонента топлива свободный объем в баке |
|||||
(воздушной подушки) |
уменьшится и при температуре +50° С будет |
||||
|
I/ |
__ 17 |
GK0Mn |
|
|
|
V под ( + 50°) — V Б------------------, |
||||
где Ч(+50°) —удельный вес |
компонента |
при |
температуре -ф-50°С. |
||
Так как бак герметичен, то в |
нем |
при |
температуре +50° С |
||
остается то же весовое количество воздуха, |
что и при температуре- |
||||
—40° С, а давление его повысится до какого-то безопасно допусти мого для бака значения рПод, т. е.
ОПод==Сп0Д (—40’) = ^под (+50°)-
Вес воздушной подушки при температуре —40 и +50° С можно выразить следующими уравнениями состояния:
|
|
|
Ра |
|
Gkomit |
||
|
„ |
|
VB~ |
|
|||
|
PaVa(—^) |
|
|
7(-40°) J . |
|||
|
UriOA (-40’) = -т—------------ |
|
|
||||
|
|
т<а‘ а (-40’) |
|
^аТа (-40’) |
|||
|
|
|
|
Рпои |
|
Gromh |
|
|
„ |
Дпод^под (+50’) |
|
Т +50" |
|||
|
|
|
|
||||
|
°под (+50’) = --- ~--------------------- = |
|
|
|
|||
|
|
^подТ'под ( + 50’) |
|||||
|
|
под'под (+50’) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
где ра, Та |
и Ra— давление, |
температура |
и |
газовая постоянная |
|||
|
атмосферного воздуха при температуре —40° С; |
||||||
/’под- ^"под и ^под~то |
воздушной |
|
подушки в баке при темпе |
||||
|
ратуре 4-50° С. |
|
|
|
|
||
Сравнивая правые части этих уравнений и |
производя соответ |
||||||
ствующие |
преобразования |
при /?а—/?под, |
получим формулу для |
||||
определения потребного объема бака данного компонента топлива:
Дпод |
_ |
__ Ра |
|
у |
1 а (—40’) |
•/под(+50’) |
|
V _ Tf(+50’) |
|
?(-40’) |
|
v Б — — |
|
|
КОМП |
PnoiJa (-40’) ~РаТпоз. (+50’) |
|
||
ИЛИ
|
233-/?под —323 |
1 |
|
I/ __ |
Т(+50°) |
К(-40’) |
|
V Б — |
233/>под — 323 |
^комп* |
|
|
|
||
Эта формула не учитывает упругость паров компонента топлн- ва и давление, которое может создаться в баке вследствие разло-
жения компонента при его хранении.
490 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД
Заправку компонентов топлива в баки можно запроектировать сверху или снизу (в зависимости от типа снаряда, условий его стар
та и др.). Жидким кислородом целесообразно заправлять бак снизу, чтобы избежать его бурного испарения. При заправке баков
компонентами топлива газовые подушки сообщаются с атмосфе рой через дренажи.
При вычислении объема баков необходимо также учитывать
•объем, занимаемый трубопроводами, заборными устройствами,
ит. п.
Втех случаях, когда двигатель останавливается из-за выработ
ки запаса топлива в баках, объемы баков для компонентов топли ва целесообразно выполнять такой величины, при которой первым
.израсходовался бы окислитель и остановка двигателя происходила на горючем. При этом условии гарантийные остатки компонентов
получаются меньше, а условия остановки двигателя благо приятнее.
5. Расчет баков на прочность. Расчет баков на прочность' производят по формулам теории тонкостенных сосудов.
При турбонасосной системе топливоподачи расчетное давле ние в топливных баках в первом приближении можно принимать равным 2—3,5 кг/см2.
При вытеснительной системе топливоподачи расчетное давление
в баках берут на 15—25% больше необходимого давления подачи,
которое уточняют после окончательной разработки всей гидравли ческой системы двигателя.
Необходимое давление подачи данного компонента |
топлива |
||
в камеру сгорания двигателя в случае |
вытеснительной |
системы |
|
выражается формулой |
|
|
|
Рп=Рб=Л + дЛ.п |
кг/см2, |
(10.3) |
|
где рБ— давление компонента топлива |
в |
баке; |
|
рк—давление газов в камере сгорания двигателя;
Д/?сп— суммарный перепад давления компонента топлива в си стеме топливоподачи двигателя (в форсунках Дрф, в
охлаждающем тракте Дрохл, в трубопроводах ДртР, кла панах Дркл, дроссельных шайбах и т. д.).
Все эти потери давления жидкостей от баков до камеры сгора ния включительно определяют по обычным формулам гидравлики.
При проектировании гидравлической системы двигателя необ ходимо, чтобы давление обоих компонентов топлива в баках было
•одинаковым, так как это упрощает конструкцию системы топливо подачи. Неравенство гидравлических сопротивлений в трактах го рючего и окислителя обычно устраняют постановкой в системе спе циальных дроссельных шайб. Эти шайбы также используются для ■обеспечения необходимого расхода компонентов топлива в камеру сгорания при заданном их весовом соотношении.
$ 2. Основы проектирования и расчета топливных баков |
491 |
Толщина стенок топливных баков определяется давлением, под которым находятся компоненты топлива, а также механическими свойствами материала, из которого изготовлены эти баки.
Зная расчетное давление в баках рБ, |
можно определить не |
||
обходимую толщину стенки бака SB. Например, для цилиндри |
|||
ческого бака имеем |
|
|
|
= |
|
(10.4) |
|
где ^ — внутренний диаметр бака; |
|
бака |
в |
айБ —предел прочности для выбранного материала |
|||
кг/см1-, |
|
|
|
пБ—запас прочности материала бака. |
|
|
|
Толщина стенки днищ цилиндрических |
баков зависит |
от |
их |
формы. Толщину стенки сферического днища бака определяют по
формуле
8 |
(105) |
|
4°z> Б |
Наиболее распространенной является эллиптическая или близ
кая к ней форма днища бака, описываемая радиусом Гдн>у.
Толщину стенки днища бака при этом можно определить по формуле
РБ^днядн
(10.5а)
где — радиус сферы днища.
При расчете баков нужно учитывать снижение прочности их ма териала от нагревания.
В наиболее тяжелых условиях металл баков работает при по даче топлива горячими газами (от ПАД или ЖАД). В этом случае металл должен быть достаточно прочным при давлении подачи порядка 35—60 ата и температуре около 400—800° С.
Если топливные баки являются несущими, то, кроме силовых напряжений в металле от давления в них холодных или горячих газов, нужно дополнительно учитывать внешние силовые нагруз ки, испытываемые баками во время старта и полета снаряда (вес столба жидкости в баке, эффект ускорения и др.).
В современных конструкциях топливных баков, изготовленных
из стали и нагруженных давлением холодного газа, запас прочно сти пБ ~ 1,54-2,0. Если топливные баки работают под давлением горячих газов или используются в качестве несущей конструкции снаряда, то запас прочности материала для баков нужно увеличи вать до пБ «2,5 и выше. Запас прочности материала баков учиты вает также увеличение давления в баках от столба жидкости и силы инерции ее, возникающей во время полета снаряда.