Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей, страница 86

Дэ истемы. Дэя данной гидравлической системы — это ав — ур пения, определяющие гидравлические характеристики ее элементов, т.е, зависимость между расходом и пе и и р; на йм элементе. В данной задаче используются компонентные Рис. 15.15. Схема вспомогательного гидравлического тракта насосного агрегата: 1 ... 11 — граничные точки гидравлических элементов; а ... м — гидравлические эле. менты Рис. 15.16. Граф вспомогательного гидравли- ческого тракта насосного агрегата уравнения, которые в процессе решения задачи представляются в единообразной форме в виде кубического сплайна: др.=А.

е В.т. + С. та + )3 тэ (15.13) Здесь тг и Др; — фазовые переменные, Ар В1 Ср 111 — коэффициенты сплайна. Топологические уравнения определяют связи между однородными фазовыми переменными, относящимися к разным элементам системы. Для получения топологических уравнений используется метод, основанный на использовании информации, заключенной в М-матрице (матрице контуров и сечений) . М-матрица строится на основании ориентированного графа вспомогательного тракта. Для формирования М-матрицы необходимо после дополнения незамкнутых циклов графа хордами (на рис. 15.16 изображены пунктирными линиями) выполнить обход этих контуров в направлении заданном дополнительными хордами, М-матрица рассматриваемого графа представлена в табл.

15.6. В строке матрицы записываются обозначения ребер, а в столбце — обозначения дополнительных хорд. Отношения между ребрами и дополнительными хордами задаются в матрице при помощи О, +1, — 1. Если в клетке матрицы стоит О или она пустая, то соответствующее ребро и хорда относятся к разным контурам, если стоит +1 (или — 1), то они относятся к одному контуру и совпадают (или противоположны) по направлению. Топологические уравнения с использованием М-матрицы имеют вид МДр + Дрх =О; р х (15.14) т — М'гп =О, Р х где Др, Др„— векторы разностей давлений на ребрах графа и хордах; ш, ш — векторы секундных расходов жидкостей на ребрах графа и р х хордах; Мт — транспонированная М-матрица.

Таким образом расчет распределения расходов и давлений в сети сво- дится к решению системы алгебраических уравнений 1- и 3-го порядков, а б в г д е к и к л м Система формируется программно на основании М-матрицы и решается численным методом Ньютона. По известному распределению давления определяются как осевые усилия на отдельные элементы ротора, так и суммарное осевое усилие.

Схема алгоритма проектной процедуры соответствует общей схеме процесса проектирования, изображенной на рис. 15.8. Входные данные формируются как результат предыдущих этапов проектирования. Затем определяется структура вспомогательного тракта и формируется соответствующий граф. Математическая модель создается путем формирования соответствующей системы компонентных и топологических уравнений с помощью М-матрицы.

Исходные значения внутренних параметров тракта определяются на основании резулыатов эскизного проектирования насосного агрегата. На этапе анализа в результате решений системы уравнений определяются расходы и и давления ! Ьр! в характерных точках тракта, а также определяются осевая сила на роторе !?, и расход жидкости через опору и? „. Здесь же проверяются ограничении (15.11) и (15.!2). Если ограничения не удовлетворяют, то возможными способами улучшения проектного решения являются параметрический синтез, изменение структуры тракта или корректировка входных данных.

Вопросы для сямопроверкл 1. В чвм различие между автоматизированным я ввтоматячоскям прооктлрованяем? Почему ввтомвтязяровапяое проектяроввпяе ЖРД более предпочтительно? 2. Какими признаками можной технической системы обладает ЖРД? 3. К параметру какого типа (вяешялй, внутренний. выходной) относится каждый яз пяжепервчлслеяяых пярвмоцюв ЖРД? (тягв Р, дввлеяяо окружакмдей среды рбь габаритные рвзмсры двягатоля, угловая скорость Т!!А ьо, давление яя входе в насос рв, павловце лв выходе яз насоса р, масса консгрукцяя М ) .

вых дя 4 К проектной процедуре какого типа (структуряый лля параметрический сяятоз, одяоввряялтяый ялл многовариантный анализ) относится каждая яз поречяоленных ниже процедур (расчет высотной характеристики двигателя, опроделвляо основных размеров шнека, определение явпряжояно-деформяроввяяого состояния оболочек камеры, выбор компояавочяой схемы ТДА, выполяеяяе чертежа детвля)? 5. Каков фязяческяй смысл ограялчсплй ла управление я оасгояяле для конотрукцлл, лзобрвжоляой лв ряс. ! 5 12? 6. Какие варианты конструкции вспомогвтшьпого гядрввлячеокого тракта (допусглмые яля оптимальные) позволяет проектировать оплшяявя в 15.3,3 МЫ? Чем нужно дополнить ЫМ, чтобы появилась возможяостьпрооктяроввть я те я другие варианты? Глава 16 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ЖРД В настоящей главе рассмотрены основные направления„по которым ведутся работы по повышению эффективности ДУ с ЖРД носителей (одноразовых РН и многоразовых транспортных КК) и космических ЛА (ИСЗ, КА и др.).

Новые жидкнеракетные топлива н новые области их применешш. Эффективность ДУ с ЖРД возрастает с увеличением удельного импульса двигателей и плотности жидкого ракетного топлива, причем в последнее время предъявляются все большие требования к экологической чистоте как самих компонентов ракетного топлива, так и их продуктов сгорания. В настоящее время жишсий кислород и жишсий водород являются наилучшим экологически чистым высокоэффективным жидким ракетным топливом. Однако чрезвычайно низкая плотность жидкого водорода (всего 70 кг/мэ) существенно ограничивает возможность его применения нв первой ступени совместно с жидким кислородом, но не исключает указанную возможность. Например, топливо (Оз)ж (Нз)ж намечено применять на разрабатываемой в настоящее время японской РН Н 2 Однако наилучшим для Ду первой ступени РН и МТКК является топливо, состоящее из жидкого кислорода (Оз) и углеводородного горючего (УВГ).

Такое топливо применяли в американской РН "Сатурн-5" (сУВГ ВР-1 типа керосина) и до настоящего времени применяют на всех трех ступенях РН "Союз" (ее первые две ступени аналогичны РН "Восток" ). В ЖРД первой ступени РН "Энергия" также применено кислородно-углеводородное топливо. До сих пор в качестве углеводородного горючего чаще всего используют керосин (в США керосин марки РК-1).

Однако керосину свойственен ряд недостатков: при прохождении по охлаждающему тракту он образует углеродистые отложения, что может привести к перегреву и про~вру стенки камеры: в продуктах сгорания (особенно в восстановительных газогенераторах ЖРД с дожиганием) содержится повышенное количество свободного углерода (сажи), осаждение которого на элементах газового тракта снижает надежность двигателя. В США рассматривают применение в качестве УВГ метана СН4, пропана Сз Нв и сжиженного природного газа.

Недостатком применения сжиженных газов является заметное уменьшение плотности топлива, При использовании топлива Оз + СН4 можно создать ЖРД с более высоким давлением рк для камер с регенеративным охлаждением горючим. Наряду с вариантами двухступенчатых МТКК (" Спейс шаттл" и др.) за рубежом рассматривается эффективность использовании одноступенчатых МТКК. Использование топлива Оз + Сз Нв в ДУ таких кораблей дает некоторое снижение массы сухой ДУ по сравнению с топливом Оэ + ВР =! . 407 Применение метана н пропана для регенеративного охлаждения камер кислородно-углеводородных ЖРД с дожиганием и с высоким давлением в камерах позволяет поднять указанное давление для ЖРД на топливе О, + +СНЧ выше 27,5 МПа,адлятоплива Оз +С, Н, — до 23,5 МПа.

Возможно создание высокоэффективных ЖРД и на топливах Оз + + ВР-1 н Оз + Ю-5, если для охлаждения камеры применять жидкий кислород. Регенеративное охлаждение камеры ЖРД жидким кислородом впервые за рубежом было осуществлено фирмой "Мессершмидт Бельков" (чэРГ). Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в США, показали, что максимальное давление в кислородно-углеводородных ЖРД с регенеративным охлаждением жидким кислородом может достигать 27,5 МПа. Синтетическое углеводородное горючее Ю-5 имеет плотность 1001 кг1м, т.е. суп1ественно выше, чем у керосина. Однако для сннтетиз ческих горючих характерна повышенная стоимость.

Разработке углеводородных горючих повышенной плотности, в частности из отходов н побочных продуктов нефтехимического производства, уделяют большое внимание: эффективно применение таких горючих с плотностью, близкой к 1000 кг/м', обеспечивавших с жидким кислородом такое же (или несколько большее) значение удельного импульса, как и для топлива О, + керосин. Для увеличения полезного груза космических ракетных ЛА эффективно применение переохлакденных компонентов топлива, с этой целью можно использовать: смесь переохлажденного жидкого и твердого водорода, а также смесь переохлажденного жтщкого и твердого кислорода в виде шуги с размером частиц твердой фазы примерно 3 мкм, наиболее вероятным считают применение шугообразного водорода со средней плотностью, соответствующей содержанию твердой фазы 50 %; плопшсть такого водорода составляет 81,4 кг/м', т.е. на 15 % выше, чем у жидкого водорода.