Характеристики активной и пассивной частей системы подачи топлива на вход в насос ЖРДУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.51(075)+533.665(075)

А. Б. ЯКОВЛЕВ М. А. БУГАЕВ И. А. ШТАНГ

Омский государственный технический университет

ХАРАКТЕРИСТИКИ

АКТИВНОЙ И ПАССИВНОЙ ЧАСТЕЙ

СИСТЕМЫ ПОДАЧИ ТОПЛИВА

НА ВХОД В НАСОС ЖРДУ_______________________

В статье рассматривается получение и согласование статических характеристик активной и пассивной частей системы подачи компонентов топлива на вход в насос жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ). Математическая модель позволяет провести анализ и выявить основные закономерности влияния входных величин на управляемую величину, получить необходимое сочетание характеристик активной и пассивной частей гидравлической системы. Результаты могут быть полезны специалистам, занимающимся разработкой ЖРДУ.

Ключевые слова: жидкостная ракетная двигательная установка, статическая характеристика, насосная система подачи.

В основе принципа проектирования жидкостной ракетной двигательной установки (ЖРДУ) положен системный подход, предполагающий рассмотрение ее как сложной технической системы [1]. Вначале ЖРДУ рассматривается как единое целое, устанавливаются цель и задачи, возлагаемые на сложную техническую систему, рассматривается влияние условий окружающей среды. Далее ЖРДУ разбивается на конечное число составляющих ее подсистем с четко выраженным функциональным назначением в общей структуре исследуемой системы. При последующей декомпозиции подсистемы ЖРДУ разбиваются на составляющие их элементы (агрегаты и сборочные единицы). Для изучения динамических свойств ЖРДУ достаточно ограничиться первыми тремя уровнями декомпозиции: уровнем макроструктуры, уровнем подсистем и уровнем элементов.

Рассматривая ЖРДУ на первом уровне декомпозиции (рис. 1), следует отметить ее основную особенность. В ЖРДУ слиты в единое целое пневмогидрав-лическая система (ПГС) и система управления (СУ) ДУ. ПГС хранит и транспортирует топливо, обеспечивает с необходимыми расходами и давлениями питание топливом камер двигателей, которые реализуют тягу и необходимый потребный импульс тяги. СУ ДУ организует и обеспечивает всю процедуру реализации ЖРДУ потребного импульса тяги: включает двигатель, следит за уровнем назначенных параметров, изменяет при надобности режим работы, вовремя останавливает двигатель. Элементы СУ ДУ также обеспечивают надежное хранение топлива в баках. То есть выполнение полетной задачи ЛА с ЖРДУ возможно лишь при тесном взаимодействии этих систем.

Каждая из систем, составляющая ЖРДУ, разбивается на подсистемы по их функциональному назначению. ПГС выделяет в своем составе четыре независимые по функциональному назначению подсистемы (рис. 1): подсистему наддува баков СН; подсистему топливных баков ТБ; подсистему топливоподачи ТП;

подсистему камер двигателя КС. На рис. 1 стрелками показана последовательность передачи функций от одной подсистемы ПГС к другой, которая обеспечивает процесс функционирования ЖРДУ. Функционирование ЖРДУ возможно лишь при указанной на данном рисунке последовательности соединений подсистем между собой и исключает при синтезе состава ПГС другие последовательности их соединении.

СУ выделяет в своем составе пять независимых по назначению подсистем, наименования которых точно определяют их функции (рис. 1): подсистему управления тягой и соотношением компонентов топлива УТСК; подсистему управления параметрами газогенераторов УГГ; подсистему управления запуском и остановом двигательной установки УЗО; подсистему управления глубоким изменением режимов работы ЖРДУ УРР; подсистему управления вектором тяги УВТ. Однако четкая функциональная взаимосвязь между ними, в отличие от однозначной последовательности взаимодействия подсистем ПГС, отсутствует.

Как уже было сказано выше, в составе ЖРДУ обе рассматриваемые системы (ПГС и СУ) слиты в единое целое. Принцип такого слияния можно наглядно представить с помощью установления характера их взаимодействия (рис. 1). Стрелками указано размещение агрегатов и элементов системы управления в подсистемах ПГС. Таким образом, система управления обеспечивает реализацию полетной задачи ЛА с помощью подсистем ПГС, а пневмогид-равлическая система выступает в качестве исполнительного органа СУ ДУ, обеспечивая движение ЛА необходимой тягой и потребным импульсом тяги.

Приведенная структура ЖРДУ на уровне составляющих ее подсистем является обобщенной для всех возможных видов. В частных случаях она может видоизменяться. Уровень же агрегатов является примерным, так как состав подсистем ЖРДУ может быть существенно шире указанного на рис. 1. Каж-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012

Пневмогидравлическая система

аккумуляторы давления; газовые редукторы; клапаны (обратные, магистральные); газоводы

емкости;

устройства вдува газа; заборные устройства; демпферы; разделители фаз; волноломы

насосы;

турбины;

газогенераторы;

газоводы;

топливопроводы;

клапаны

форсуночные головки; реакционные емкости; сопла;

тракты охлаждения; коллекторы; устройства завесы

НБ —► ТБ —► ТП

УТиСК УГГ УЗО УРР УВТ

регуляторы давления и расхода (тяги); стабилизаторы соотношения компонентов регуляторы давления и расхода, ТНА; стабилизаторы соотношения компонентов главные клапаны; мембраны; контрольные реле; устройства зажигания регуляторы соотношения компонентов; клапаны- переключатели; дроссели рулевые камеры; газовые рули; поворотные сопла; распределители расхода

Р

Система управления двигательной установкой

Рис. 1. Схема взаимодействия подсистем ЖРДУ

дая конкретная ЖРДУ имеет определенную структуру, обусловленную назначением ЛА, схемой двигательной установки, используемыми компонентами топлива и т.д. Поэтому для установления сочетания ее подсистем и набора агрегатов, установления связей между ними требуется составить пневмогидрав-лическую схему ЖРДУ. На ее основе можно составить уже функциональную схему конкретной двигательной установки.

В работе [2] рассмотрена ЖРДУ с насосной системой подачи и автономным топливом для питания газогенератора. В состав ее ПГС входят подсистемы: наддува бака автономного топлива (СН БТ), наддува баков горючего и окислителя (СН БГО), топливных баков автономного топлива, горючего и окислителя (ТБТ, ТБГ и ТБО соответственно), топливоподачи (ТП) и камеры двигателя (КС). Агрегаты подсистем СУ входят в состав ПГС как составные элементы (например, топливные клапаны подсистемы УЗО в составе подсистемы ТП).

В качестве основных элементов ЖРДУ (звеньев) приняты: камера сгорания, форсуночные головки компонентов топлива, тракта охлаждения камеры, топливные магистрали компонентов, дроссель регулятора соотношения компонентов, насосы компонентов, турбина, газогенератор на унитарном топливе, магистраль газогенератора, дроссель регулятора тяги, баки компонентов топлива, системы наддува баков компонентов. Главным звеном двигательной установки является камера двигателя, так как ее выходная величина (тяга или давление в камере) является выходной величиной всей ЖРДУ.

Для выполнения в полете различных задач ЖРДУ летательного аппарата (ЛА) требуется изменение тяги Р (или давления в камере сгорания рк). Для того, чтобы проводить такие изменения необходимо знать связь между положением регулирующего органа ЖРДУ (дросселя регулятора тяги) и величиной, определяющей режим ее работы (Р или рк). Эту связь на установившемся режиме и обеспечивает статическая характеристика (СХ) ЖРДУ. Для ее определения необходимо знать СХ узлов и агрегатов (звеньев), со-

ставляющих всю двигательную установку и схему их соединения между собой. СХ звеньев могут быть представлены в виде уравнений, связывающих выходную и входную величины, или в виде графиков, как построенных по этим уравнениям, так и полученным экспериментально (например, проливкой).

Однако в работе [2] принималось, что давления компонентов топлива на входе в насосы являются заданными и независящими от каких-либо внешних или внутренних возмущений. А статические характеристики СН БГО получены не были. Таким образом, целью данной работы было определение СХ системы подачи компонента топлива на вход в насос ЖРДУ.

В состав рассматриваемой системы подачи входят (рис. 2): газовый аккумулятор давления 1, насос 2, топливный бак 3, газовый редуктор 4 (или дроссельная шайба 10), газовод 5, устройство распыла газа наддува 6, заборное устройство 7, отсечной клапан 8 и трубопровод компонента топлива (топливная магистраль) 9.

Указанную систему подачи можно условно разделить на две части, одна из которых является пассивной частью гидравлической системы. Для обеспечения ее работы требуется подача компонента топлива на вход в насос под некоторым давлением с определенным расходом. Это давление обеспечивается второй — активной частью системы, называемой системой наддува. Статическая характеристика каждой из этих частей имеет определенный вид, зависящий от свойств и параметров компонента топлива и газа, характеристик агрегатов и деталей, ее составляющих.

Система наддува служит для поддержания требуемого давления в топливных баках (рп)пас, необходимого для работы пассивной части. Тяга ЖРДУ при турбонасосной системе подачи топлива незначительно зависит от изменения давления в баках в отличие от вытеснительной системы, где тяга пропорциональна давлению наддува и его необходимо поддерживать с большой точностью.

В процессе работы ЖРДУ с турбонасосной системой подачи в каждом топливном баке необходимо

(Рп )пас = Рвх + ЛРшр - Ра

(1)

За время полета величины Нк, а и ф изменяются. Поэтому выбирать давление (рп)акт необходимо в расчете на наиболее неблагоприятный случай, когда подпор жидкости будет наименьшим (рис. 3 б). Действительно, в любой момент времени должно выполняться следующее неравенство:

Рп.тах > (Рп )акш ~ (Рп )пас + Ргар = Рвх.необх + Аршр рсш + рп

гар

(2)

где рвхнеобх — давление на входе в насос, необходимое для его бескавитационной работы; ргар — гарантийный запас давления.

Гидростатическое давление на входе в насос рст будет выражаться следующей зависимостью:

Рсш = Нкр(а + двіпф) =

Рис. 2. Схема системы подачи компонента на вход в насос

поддерживать давление газа наддува между минимально и максимально допустимыми значениями. Максимально допустимое давление газа рп тах определяется из условия максимальных нагрузок, воспринимаемых конструкцией ЛА, минимально допустимое давление — с учетом требований бескави-тационной работы заборного устройства и насосов ЖРДУ, а также из условия обеспечения прочности бака на устойчивость.

Потребное давление газа наддува в подушке топливного бака (для работы пассивной части) определяется по формуле:

= Нк рЯо

а д .

------+ — 8іПф

Яо Яо

= Нк РЯо пх

(3)

где Нк — высота уровня компонента топлива над входом в насос 2 (рис. 2); р — плотность компонента топлива; а — продольное ускорение ЛА; д — ускорение силы тяжести на высоте полета ЛА; д0 — ускорение свободного падения вблизи Земли; пх — продольная перегрузка ЛА; ф — угол тангажа ЛА.

Потери давления в трубопроводе подачи компонента из бака на вход в насос Дртр складываются из потерь давления на трение по длине трубопровода Дртр 1 и потерь давления на местных сопротивлениях, например, в заборном устройстве 7 ДрЗУ и на отсечном клапане 8 Др (рис. 2):

¿Ршр = АРшр., + АРзу + АРкл = ~П5 — + НгУ — +

81!

п2й

85з

я2й4

где рвх — потребное давление компонента на входе в насос; Дртр — потери давления в топливной магистрали; рст — статическое давление столба жидкости (гидростатическое давление) на входе в насос.

На рис. 3 показаны графики изменения давления на входе в насос при полете ЛА в поле тяготения Земли со скоростью V. Из рис. 3а видно, что давление на входе в насос рвх изменяется под действием продольного ускорения а, угла тангажа ф и высоты уровня компонента в баке над входом в насос Нк. В зависимости от того, какое давление необходимо иметь на входе в насос рвхнеобх, выбирается соответствующее давление в подушке топливного бака (рп)акт, создаваемого системой наддува (активной частью).

2т2 Р2

г*"кл кл

— = (А Р

+ А )т = А —, (4)

кл ' ~ тр '

РР

где 1 — коэффициент гидравлического сопротивления трения, зависящий от режима движения компонента и относительной шероховатости; ! — длина трубопровода 9; й — диаметр трубопровода; т — массовый секундный расход компонента топлива из бака; ^зу — коэффициент местного сопротивления заборного устройства; — коэффициент

расхода отсечного клапана; Ркл — площадь проходного сечения отсечного клапана; Ашр — геометрическая характеристика трубопровода, которая может быть определена по результатам проливки следующим образом:

2

2

2

1

+

Рис. 3

б

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

177

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012

Рис. 4. Статические характеристики системы подачи компонента

А тр =

АРшрР

(рп )акш = рред - Ар„

(5)

давления на местных сопротивлениях, например, в устройстве распыла 6 ДрУР и на обратном клапане ЛрОК (рис. 1), аналогично выражению (4):

АРгаз = АРгаз.1 + АРуР + АРоК =

81г К

яЧ

Рг

8^УР

яЧ4

С_

Рг

2и2 р2

^+*-ОКА ОК

С2 С2 С2

— = (Агаз.1 + АУР + АОК ) ~ = Агаз ~ , (6) Рг Рг Рг

Минимально допустимое давление компонента на входе в насос определяется совершенством конструкции насоса, типом компонента топлива и режимом работы двигателя. С изменением температуры компонента минимально допустимая величина давления изменяется. Давление же создаваемое столбом компонента топлива на входе в насос изменяется с изменением ускорения ЛА, которое в свою очередь определяется режимом работы ЖРДУ (т. е. расходом компонента топлива т). Потери давления в трубопроводе в случае неизменного режима движения жидкости практически зависят только от режима работы двигателя.

Следовательно, минимально допустимое давление газа наддува в баке при условии бескавитаци-онной работы насоса зависит только от изменения режима работы двигателя. Зависимость рп от расхода по выражению (2) с учетом (3) и (4) представлена на рис. 4. Из рисунка видно, что потребное давление газа наддува в подушке топливного бака (рп)пас с увеличением расхода компонента должно расти.

Давление рп в подушке бака (рис. 2), создаваемое системой наддува (активной частью), при сверхкри-тическом режиме истечения газа из газового редуктора 4 (или через дроссельную шайбу 10) будет зависеть от массового секундного расхода компонента т из бака, объема и давления рак в газовом аккумуляторе 1, параметров газа наддува, площади проходного сечения газового редуктора (или шайбы), а также от величины потерь давления в газоводе 5 при течении газа от газового редуктора до устройства распыла 6 (потерями давления при течении газа от аккумулятора до газового редуктора можно пренебречь вследствие высокого давления в аккумуляторе):

где 1г — коэффициент гидравлического сопротивления трения, зависящий от режима движения газа по газоводу; Ьг — длина газовода 5; Чг — диаметр газовода; С — массовый секундный расход газа на наддув; £уР — коэффициент местного сопротивления устройства распыла; цОК — коэффициент расхода обратного клапана; РОК — площадь проходного сечения обратного клапана; Агаз — геометрическая характеристика газовода, которая может быть определена по результатам проливки следующим образом:

А = АР газР г .

А газ с 2

Статическая характеристика активной части системы подачи (рп )акш = Ї (т) показана на рис. 4. Показанное на рис. соотношение характеристик соответствует выполнению условия (2), т.е. безкави-тационной работе насоса.

Описанная методика определения статических характеристик активной и пассивной частей системы подачи компонента топлива на вход в насос позволяет связать выходную величину системы (давление в подушке топливного бака Рп) с входными величинами: внешними воздействиями (пх, ф) и внутренними возмущениями (Рред, Нк) для различных режимов работы ЖРДУ (по расходу т).

Библиографический список

1. Яковлев, А. Б. Определение уравнения динамики жидкостной ракетной двигательной установки / А. Б. Яковлев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2010. - № 1 (87). - С. 71-74.

2. Яковлев, А. Б. Динамическая модель ЖРДУ с однокомпонентным газогенератором / А. Б. Яковлев, А. А. Лиман // Полет. - 2010. - № 4. - С. 36-40.

ляемое по методике [1]; Дргаз — потери давления в газоводе.

Потери давления в газоводе 5 складываются из потерь давления на трение по длине Дргаз 1 и потерь

ЯКОВЛЕВ Алексей Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Авиа-и ракетостроение».

БУГАЕВ Михаил Александрович, магистрант гр. АКмД-610 кафедры «Авиа- и ракетостроение». ШТАНГ Ирина Александровна, магистрант гр. АКмД-610 кафедры «Авиа- и ракетостроение». Адрес для переписки: уакоу!еу@отд1:и .т

Статья поступила в редакцию 09.12.2011 г.

© А. Б. Яковлев, М. А. Бугаев, И. А. Штанг

+

+

1

+

2