Возможности оптимизации газонасыщения компонентов ракетного топлива в процессе огневых испытаний жидкостных ракетных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК.62-1/9

ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА В ПРОЦЕССЕ ОГНЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

А. М. Бегишев, Г. А. Яценко

Производство «Испытательно-заправочный комплекс» АО «Красмаш» Российская Федерация, 662991, г. Железногорск Красноярского края, п. Подгорный, ул. Заводская, 1

E-mail: alex-beg95@mail.ru

Авторы рассматривают особенности процесса газонасыщения КЖРТ, а также исследуют возможности оптимизации конструкции системы газонасыщения, с помощью установки струйного насоса на огневом испытательном стенде производства «ИЗК» АО «Красмаш».

Ключевые слова: испытание ЖРД, газонасыщение КЖРТ, струйный насос.

OPPORTUNITIES FOR OPTIMIZING THE GAS CONSUMPTION OF ROCKET FUEL COMPONENTS IN THE PROCESS OF FIRE LASER TESTS

A. M. Begishev, G. A. Yatsenko

Production „Testing and refueling complex" of JSC „Krasmash" 1, Zavodskaya Str., Podgorny, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk Region, 662991, Russian Federation

E-mail: alex-beg95@mail.ru

The authors consider the features of the process of gas saturation of components of liquid rocket fuel, and also explores the possibilities of optimizing the design of the gas saturation system, by installing a jet pump, at the fire test stand of the production "test and refueling complex" of JSC "Krasmash ".

Keywords: LPRE test, gas saturation of liquid rocket fuel components, jet pump.

Испытаниям жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) присущи определенные требования, связанные как со спецификой процессов, происходящих в этих двигателях, так и с условиями их эксплуатации. Экспериментальная отработка и подтверждение надежного функционирования ЖРД на огневых испытательных стендах, включают в себя ряд особенностей, связанных с наличием специальной испытательной техники, квалифицированных испытателей и инже-нерно-руководительного состава, автоматизированной регистрации параметров испытания, а также с методологией обеспечения имитации натурных условий на всех этапах жизненного цикла изделия.

В процессе доводки и наземной обработки ЖРД необходимо проверять надежность работы двигателей в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Для этой цели стенды для испытания ЖРД оборудуются системами имитации высотных и температурных условий, объектных условий и другими системами, имитирующими влияние на двигатель различных факторов [1].

В жидкостной ракетно-двигательной установке (ЖРДУ) топливо в той или иной мере может растворять газ, генерируемый для наддува топливных баков ракеты.

Растворение в топливе газа оказывает существенное влияние на давление в топливных баках, в случае эксплуатации долгохранимых ракет (например, в цикле «зима-лето»), а также на кавитационные

характеристики магистралей питания и насосов тур-бонасосного агрегата (ТНА) ЖРД. Содержание газа в компоненте зависит как от типа компонента, так и от давления, температуры и состава газовой фазы [2]. Газовая фаза, находящаяся в топливе, попадает в ка-витационные каверны и приводит к увеличению критического давления в проточной части насоса в зоне кавитации по сравнению с давлением насыщенных паров на входе в насос, что в свою очередь повышает риск срыва устойчивости работы насоса ТНА в результате развития кавитации. Таким образом, для нормальных условий функционирования ЖРДУ предельные концентрации растворенных газов в топливе строго регламентируются.

Растворимость газа в жидком топливе подчиняется закону Генри, из которого следует, что объемная концентрация растворенного газа прямо пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью [1]: с = К ■ р ,

где с - объемная концентрация газа в жидкости; р - давление газа; К - коэффициент растворимости Генри, при низких давлениях является функцией температуры жидкости.

Для проверки влияния насыщения (абсорбции) то-плив газами на эксплуатационные характеристики ракетных систем стендовые испытания проводятся с газонасыщением компонентов жидкого ракетного топлива (КЖРТ) [3].

Решетневские чтения. 2018

Схема газонасыщения КЖРТ

На огневом испытательном стенде производства «Испытательно -заправочный комплекс» (ИЗК) АО «Красмаш» - сооружении 1, корректировка степени газонасыщения производится с помощью системы термостатирования методом перемешивания. Способ заключается в том, что в газовой подушке расходной емкости с КЖРТ, в зависимости от средней температуры компонента топлива, создается избыточное давление, необходимое для получения газосодержания, соответствующего требованиям конструкторской документации (КД).

Подача азота прекращается и путем прокачки КЖРТ с помощью центробежного насоса по замкнутому контуру системы термостатирования (без подачи термоагента), происходит интенсивное перемешивание компонента, до тех пор, пока не установится равновесное состояние КЖРТ. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами жидкой и газовой фазами и зависит от состава фаз, температуры и давления. В связи с этим по всей продолжительности производственного процесса производится контроль избыточного давления газа в подушке и средней температуры компонента в расходных емкостях. При изменении температуры компонента в процессе газонасыщения производится соответствующее изменение давления газовой подушки для получения требуемой в КД степени газонасыщения. Насыщение ведется в течение определенного времени, после чего в газовой подушке создается давление выше того, при котором велось насыщение, чтоб исключить разна-сыщение (десорбцию).

Недостаток данного метода обуславливается малой зоной соприкосновения газообразной и жидкой фаз, а также длительным циклом прохождения компонентом контура системы термостатирования, что в свою очередь сказывается на эффективности и длительности процесса насыщения компонента газом.

Скорость протекания абсорбционных процессов определяется скоростью процесса массообмена, между газовой и жидкой фазами [4]. Одним из основных факторов увеличения степени отклонения системы от равновесного состояния являются тип способа сопри-

косновения и характер взаимного движения фаз. Таким образом, один из путей оптимизации операции газонасыщения может быть установка в систему тер-мостатирования дополнительного абсорбционного аппарата. В качестве такого аппарата может выступить струйный насос (эжектор) с КЖРТ в качестве эжектируемой среды, установленный после центробежного насоса и термостата. Данное техническое решение, представленное на рисунке, должно быть реализовано в результате реконструкции технологических систем на сооружении 1 производства «ИЗК» АО «Красмаш». Компонент в процессе циркулирования по контуру системы, поступает в рабочее сопло эжектора, тем самым ускоряясь, создаёт в камере эжектора зону пониженного давления. Эжектирую-щая среда, в качестве которой выступает газообразный азот, подводится из полости газовой подушки расходной емкости, и всасываясь в камеру эжектора, перемешивается с потоком рабочей среды, тем самым частично растворяясь в топливе. Для повышения работоспособности струйного насоса в качестве абсорбционного аппарата, также возможна установка на выходе из эжектора специального завихрителя, цель которого, за счет возникновения турбулентности потока, создать интенсивное перемешивание рабочей среды. Таким образом, установка струйного насоса позволит значительно повысить эффективность газонасыщения, расширив зону соприкосновения газообразной и жидкой фаз, но в то же время, значительно не усложнит существующую конструкцию системы газонасыщения компонента испытательного стенда.

Библиографические ссылки

1. Испытание жидкостных ракетных двигателей / А. Е. Жуковский, В. С. Кондусев, В. Я. Левин и др. ; под ред. В. З. Левина. М. : Машиностроение, 1981. 199 с.

2. Рамм В. М. Абсорбция газов. М. : Химия, 1976. 656 с.

3. Методология экспериментальной отработки ЖРД и ДУ, основы проведения испытаний и устройства испытательных стендов : монография / А. Г. Га-

леев, В. Н. Иванов, А. В. Катенин и др. Киров : МЦНИП, 2015. 436 с.

4. Венгерский Э. В. Гидродинамика двухфазных потоков в системах питания энергетических установок. М. : Машиностроение, 1982. 128 с.

References

1. Ispytaniye zhidkostnykh raketnykh dvigateley [Testing of liquid rocket engines] / A. E. Zhukovsky, V. S. Kondusev, V. Ya. Levin et al. ; pod. red. V. Z. Levina. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981. 199 p.

2. Ramm V. M. Absorbtsiya gazov [Absorption of gases]. Moscow, Khimiya Publ., 1976. 656 p.

3. Metodologiya eksperimental'noy otrabotki ZHRD i DU, osnovy provedeniya ispytaniy i ustroystva ispy-tatel'nykh stendov: monografiya [Methodology of experimental development of LPRE and DU, the basis of testing and the installation of test benches] / A. G. Galeev, V. N. Ivanov, A. V. Katenin et al. Kirov : MCNIP Publ., 2015. 436 p.

4. Vengersky E. V. Gidrodinamika dvukhfaznykh po-tokov v sistemakh pitaniya energeticheskikh ustanovok. [Hydrodynamics of two-phase flows in power system of power plants]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1982. 128 p.

© EerameB A. M., ^emo r. A., 2018