516 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД
Приближенный вес ПАД с пороховым зарядом равен
|
^ПАД — ^п + ^ак |
|
2£аРа а^а^а^а |
|
|
||
|
|
а/7м.а |
|
|
|
||
|
|
|
а^тспл |
|
|
|
|
|
|
|
2*a.Pa^a^a^*a \ |
|
(10.47) |
||
|
|
а’ггепл |
7n°Z> а/Тм.а / |
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
где Иа = Сп/-гп=рБ1/Б/-Гп/а7(ТеПл —объем порохового заряда. |
|
||||||
|
Для вытеснения |
из баков |
в камеру |
двигателя 1 л3 |
топлива |
||
нужно сжечь около |
12—15 кг пороха (с учетом |
охлаждения |
газа |
||||
в |
системе). Так как порох в |
твердом состоянии |
имеет |
большой |
|||
удельный вес, то объем пороховой камеры для размещения |
ука |
||||||
занного количества пороха будет приблизительно равен |
12—15 л, |
||||||
а |
вес ее без порохового заряда составляет около 25 кг |
(вес каме |
|||||
ры зависит и от давления пороховых газов).
Удельный вес ПАД, включая и пороховой заряд, равен
|
7пад = ^^=Т£^(1 + ~а-^АаЧ кг’Л. |
(10.48) |
|||||
|
^Б |
|
/а’Степл \ |
TnsZ> аПм.а |
/ |
|
|
Удельный вес системы топливоподачи с ПАД |
|
||||||
Ic.n |
°ПАД |
|
2есис |
н---------- (10. 49) |
|
|
|
у —Рб |
|
Ь Ь |
м.а / J |
|
|||
|
|
а |
'т |
|
/ат|тепл |
|
|
БL Ь Б/ ‘м.Б
На фиг. 10.12 показаны кривые зависимости удельного веса системы топливоподачи с ПАД от давления в топливных баках рБ
при еБ = 1,4; га = 2,5; пБ = 3; па = 2,5; &а = 1,2; Са = 1; айБ = ойа = = 110 кг/мм2; умБ = ум,я = 7900 кг/л/3; /а = 75000 кгм/кг; т]тепл = 0,33;
ра = 100 ата и -[п = 1600кг!м\
§ 5. Расчет жидкостного аккумулятора давления системы
топливоподачи
Жидкостный аккумулятор давления (ЖАД) представляет аг регат, вырабатывающий из двух самореагирующих компонентов
топлива горячий газ, при помощи которого основные компоненты топлива вытесняются из баков в камеру сгорания двигателя. Ком поненты топлива подаются в ЖАД из специальных бачков посред ством сжатого воздуха, поступающего из пневмоблока системы.
Основным недостатком системы топливоподачи с ЖАД являет ся ее конструктивная сложность по сравнению с системами подачи с ВАД или ПАД.
Вытеснительная система топливоподачи ЖРД с ЖАД может состоять из следующих четырех основных узлов (см. фиг. 10.3):
1)блока подачи окислителя;
2)блока подачи горючего;
§ 5. Расчет жидкостного аккумулятора давления |
517 |
3)пневмоблока системы;
4)баков основных компонентов топлива.
Основными элементами блока подачи соответствующего компо нента топлива являются:
а) реактор, обычно устанавливаемый на соответствующем баке основного компонента топлива;
б) бачки для горючего и окислителя (для вспомогательных ком понентов топлива);
в) арматура и трубопроводы.
Пневмоблок системы является общим для обоих блоков подачи
компонентов топлива. Основным элементом каждого блока подачи
является реактор (камера сгорания вспомогательного топлива). Устройство реакторов обоих баков основных компонентов топлива почти одинаковое.
Каждый реактор может состоять из следующих узлов:
а) корпуса, являющегося основным узлом газогенератора, на котором монтируются все остальные элементы;
б) |
форсунок для распыла компонентов топлива при подаче их |
|
в реактор; |
|
|
в) |
мембранного узла, служащего для разобщения полости ре |
|
актора от емкости во время заправки ее компонентом |
и при хра |
|
нении двигателя (узел состоит из корпуса, фильтра, |
мембраны, |
|
диска и нажимного винта); |
|
|
г) |
отсечного клапана; |
|
д) |
насадка реактора с мембраной, образующего вместе с кор |
|
пусом камеру для смешения и сгорания компонентов топлива; е) ряда других мелких элементов.
Верхняя часть корпуса реактора служит головкой, на которой устанавливаются топливные форсунки.
Подробное описание конструктивных особенностей ЖАД, его запуска и принципа работы выходит за рамки рассматриваемой темы.
Для работы ЖАД принципиально могут быть использованы лю бые горючие и окислители. Однако стремление обеспечить простой
и надежный запуск аккумулятора, устойчивость его работы и удоб ство эксплуатации уменьшают число целесообразных топлив для
ЖАД. Наиболее приемлемыми являются самовоспламеняющиеся
компоненты топлива. В случае применения для этой цели несамо воспламеняющихся компонентов топлива их зажигание при запус ке целесообразно осуществлять при помощи электропиропатрона.
Можно считать, что наиболее приемлемой для эксплуатации темпе ратурой сгорания компонентов топлива в реакторе ЖАД является
800—900° С.
Для получения парогаза указанной температуры коэффициент состава топлива для ЖАД бака горючего /Бг нужно брать меньше, а для бака окислителя /Б 0 значительно больше стехио-
518 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД
метрического значения, чтобы избежать догорания газов в баках. Реактор бака горючего обычно работает при коэффициенте избытка окислителя аБг»0,30,4, а реактор окислителя при
аБ.о ~ 3 6.
Чтобы не выйти за рамки принятого значения температуры, на пример 900° С, коэффициенты состава топлив, подаваемых в реак торы ЖАД, обычно имеют свои пределы.
Известно, что от коэффициента состава топлива будет зависеть температура днища ta„ и обечайки /облч бака со стороны реактора, а также удельный расход топлива в реактор. При изменении со става топлива в сторону стехиометрического значения температура баков основных компонентов топлива будет возрастать, а удель ный расход топлива — уменьшаться, и наоборот. Оптимальными коэффициентами состава топлива для ЖАД будут такие их зна чения, при которых температура стенок баков основных компонен тов топлива в конце работы двигателя не превысит безопасно до пустимый предел (480—500° С).
Во время работы двигателя обечайка и днище бака горючего разогреваются на 80—100° С больше, чем бака окислителя. Почти
на такое же число градусов больше разогреваются днища баков относительно их обечаек. Разогрев днищ и обечаек топливных ба
ков двигателя зависит от их материала, температуры газа и про должительности нагревания, физических свойств вытесняемых ком
понентов и ряда других факторов.
Поскольку аналитическое определение температуры разогрева стенок баков сопряжено с большими трудностями и не всегда воз
можно с необходимой для практики точностью, то при расчетах зна чениями tM и /сбзч нужно задаваться на основании данных стати стики и экспериментов.
Давление подачи основных компонентов топлива рБ склады вается из давления в камере сгорания двигателя и давления, теряе мого в виде гидравлических сопротивлений в магистралях на пути от бака до форсунок двигателя. Для стабильной подачи компонен тов топлива в камеру сгорания и снижения разброса тяги двигате ля, техническими условиями на проектирование системы должен устанавливаться определенный допуск на величину рБ.
Для расчета ЖАД системы топливоподачи двигателя необходи мы следующие основные данные:
1) род и секундные расходы основных компонентов топлива для работы камеры двигателя;
2) объем баков для этих компонентов топлива с указанием объемов гарантийных запасов компонентов и воздушных подушек
вбаках после заправки;
3)давление подачи основных компонентов топлива в камеру сгорания двигателя рБ (давление в топливных баках);
4)допустимая температура разогрева стенок топливных баков за время работы системы;
§ 5. Расчет жидкостного аккумулятора давления |
519 |
5)род самовоспламеняющихся компонентов топлива для ра боты ЖАД;
6)программа работы двигателя.
Расчет ЖАД в основном сводится к определению:
1) необходимых коэффициентов состава топлива % для рабо ты ЖАД при выбранной температуре газа в реакторах, что выпол няется термодинамическим расчетом составов продуктов сгорания данного топлива при ряде выбранных значений х с последующим
построением графиков зависимостей Тк и RrTk от х или при помо щи имеющихся графиков;
2)необходимых секундных расходов компонентов топлива для работы ЖАД бака горючего и бака окислителя;
3)объема баков для этих компонентов топлива;
4)числа и размеров форсунок для распыла компонентов топ
лива при подаче их в реактор; 5) потребного запаса воздуха в баллоне пневмоблока системы
при выбранном его начальном давлении, а также размеров этого
баллона.
После выполнения расчетов выбирают необходимую арматуру для блоков подачи ЖАД и производят ее компоновку и необходи
мые прочностные расчеты системы. Наиболее трудным |
является |
термодинамический расчет составов продуктов сгорания |
топлива |
в реакторах при различных х- |
|
Установлено, что продукты сгорания топлива тонка-2504~80% |
|
HNO3 и 20% N2O4 при малых значениях х состоят из газов |
СО2, СО, |
Н2, Н2О, N2, С2Н6, СН4, С2Н4 и С2Н2, а также углерода С в твердой |
|
фазе. Для определения состава этих продуктов сгорания |
решают |
систему уравнений, состоящую из:
а) уравнений материального баланса в относительной форме:
|
Сг + уСо — |
12 Рсо, + Рсо ~Ь^сн, + 2Аън, + 2/?с>Н) + 2pC;Hs . |
|
|
Ог + У.Оо |
16 |
2/>COj + /’що + Рсо |
|
Нг + уНо |
1 |
2/^,0 + 2рн? + 4/?сн '+ 2pCgH; 4- 2pCiH< -4-6рСрНя |
|
Ог + 7.00 |
16 |
2Рсо2 + ?н2о + Рсо |
|
Nr + yN0 |
14 |
2pN, |
|
Or + xOo |
16 |
/’cOj ■Ь/’ню+^’сО |
где т]с — весовая доля углерода в твердой фазе; |
|||
б) |
уравнения суммы парциальных давлений газов в смеси: |
||
Рк = S Pi ~Рсо, +Рсо + Ан..о +Рн, +Рен, Н" Рс,Н, + Рс2Н, +Асгнв:
в) уравнений констант химического равновесия (см. приложе ние V).