Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Как структура, так и гидравлические характеристики элементов тракта существенно влияют на распределение расходов жидкости и давления в тракте, а следовательно, и на значение осевой силы на роторе и расход охлаждающей жидкости через подшипниковые опоры. Целью синтеза конструкции вспомогательного гидравлического тракта является определение такой его структуры и такой геометрии элементов, при которых удовлетворяются наперед заданные условия работоспособности НА. В качестве критериев работоспособности следует использовать величину допускаемой осевой силы на радиально-упорной подшипниковой опоре (Д „„) и величины допустимых расходов охлаждающей жидкости через подшипники (л1 „„).
Эту задачу можно поставить следующим образом: пусть задана структура гидравлического тракта, т.е. перечень его элементов и отношения между ними, пусть также: Х = (х,, хэ, ..., х„) — вектор внутренних параметров вспомогательного тракта, компонентами которого являются геометрические размеры элементов тракта. В л-мерном пространстве вариантов конструкций тракта формируется допустимая область при помощи ограничений в форме равенств и неравенств на величину осевой силы на подшипниковой опоре и на величину расхода жидкости через подшипники: (! 5.11) [лтохл) — дохл (Х) > О.
(15.1 2) Необходимо определить вектор Хв, удовлетворяющий ограничениям, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ При описании вспомогательного гидравлического тракта насосного агрегата (рис. 15.15) на макроуровне его можно представить в виде графа ребрами которого являются элементы тракта, а вершинами — точки на вхо. де в элементы и выходе из них (рис.
15.16) . Математическая модель системы получается путем объединения компо. нентиых и топологнческих уравнений. Компонентные уравнения описы. веют законы функционирования элементов системы. Для данной гидравлической системы — это уравнения, определяющие гидравлические характеристики ее элементов, т.е. зависимость между расходом т; и перепадом давления Ьр; на ~'-м элементе. В данной задаче используются компонентные отеиг е р Ю Рпс. 15.15. Схема вспомогательного гндравляческого тракта насосного агрегата: 1 ... 11 — граничные точки гидравлических элементов; а ... м — гидравлические эле.
менты [г ! ! / Рпс. 15.16. Граф вспомогательного гидравли-( ческого тракта насосного агрегата уравнения, которые в процессе решения задачи представляются в единообразной форме в виде кубического сплайна; Ор.=А.+ В.т + С.т'. + Р.тэ. (15.13) Здесь тг и Ьр! — фазовые переменные, Аь Вр Сь Р! — коэффициенты сил айна.
Топологические уравнения определяют связи между однородными фазояыми переменными, относящимися к разным элементам системы. Для получения топологнческих уравнений используется метод, основанный на использовании информации, заклю инной в М-матрнце (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 (ипи противоположны) по направлению.
Топологические уравнения с использованием М-матрицы имеют вид МЬр +11р„=о; (15.14) ш — Мт гп =О, Р х где Ьр~, Ьр„— векторы разностей давлений на ребрах графа и хордах; ш, ш„— векторы секундных расходов жидкостей на ребрах графа и хордах; Мт — транспонированная М-матрица. Таким образом расчет распределения расходов и давлений в сети сводится к решению системы алгебраических уравнений 1- и 3-го порядков. Таблица 15.6 Матрица коятуроа и еечеяяй а б а г д е:и и к и и 1 1 1 1 1 1 1 я — ! — 1 — 1 -1 н.
— 1 405 Система формируется программно на основании М-матрицы н решастс» численным методом Ньютона. По известному распределению давления определяются как осевые усилия на отдельные элементы ротора, так и суммарное осевое уенлие Схема алгоритма проектной процедуры соответствует общей хеме процесса проектирования, изображенной на рис. 15.8. Входные данные формируются как результат предьщущих талон проектирования. Затем определяется структура вспомогательного ракта и формируется соответствующий граф. Математическая модель созда.
ется путем формирования соответствующей системы компонентных н топологических уравнений с помощью М-матрицы. Исходные зНачения внутренних параметров тракта определяются на основании результатов эскизного проектирования насосного агрегата. На этапе анализа в результате решений системы уравнений определяются расходы т( идавлення Ьр( в характерных точках тракта, а также определяются осевая сила на роторе Яг и расход жидкости через опору т „„. Здесь же проверяются ограничения (15.11) и (15.12). Если ограничения не удовлетворяют, то возможными способами улучшения проектного решения являются параметрический синтез, изменение структуры тракта или корректировка входных данных. Вопросы для самопроверки 1. В чем различие между автоматизированным и автоматическим проектпрованиемт Почему автоматизированное проектирование ЖРД более предночтительно? 2. Какими признаками сложной технической системы обладает ЖРД? 3.
К параметру какого типа (внешний, внутренний, выходной) относится каждый из нижеперечисленных параметров ЖРД? (тяга Р, давление окружавшей среды рйь габаритные размеры двигателя, Угловая скорость ТНА ы, давление на входе в насос Рва, Давление на выхоДе из насоса Рв „, масса констР) коМи М в) .
4. К проектной процедуре какого типа (структурный илн параметрический синтез, одновариантный или многовариантный анализ) относится каждая нз перечисленных ниже процедур (расчет высотной характеристики двигателя, определение основных размеров шнека, определение напряженно-деформированного состояния оболочек камеры, выбор компоновочной схемы ТНА, выполнение чертежика детали)? 5. Каков физический смысл ограничений на управление и состояние для конструкции. изображенной на рис.
15.12? 6. какие варианты конструкции вспомогательного пшравлического тРакта (допустимые или оптимальньк) позволяет проектировать описанная в 15.З.З ММ? Чем нужно дополнить ММ, чтобы появилась возможность проектировать н те и другие варианты? Глава 1б ' ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ЖРД В настоящей главе рассмотрены основные направления, по которым ведутйя работы по повышению эффективности ДУ с ЖРД носителей (одноразовых РН н многоразовых транспортных КК) н космнчэскнх ЛА (ИСЗ, КА иэ(р.).
Нйвые жидкие ракетные топлива н новые еблясэн нх применения. Эффедтивность ДУ с ЖРД возрастает с увеличением удельного импульса двигатслей и плотности холнсого ракетного топлива, причем в последнее время предъявляются все большие требования к экологической чистоте как синих компонентов ракетного топлива, так и их продуктов сгорания. В настоящее время жидкий кислород и яадкий водород являются наину ь шнм экологически чистым высокоэффективным жидким ракетным топливом. Однако чрезвычайно низкая плотность жидкого водорода (всего 70 кг/мэ) существенно ограничивает возможность его применения на первой ступени совместно с жидким кислородом, но не исключает указанную возможность.
Например, топливо (Оз)ж + (Нэ) намечено применять на разрабатываемой в настоящее время японской РН Н 2 Однако наилучшим для ДУ первой ступени РН н МТКК является топливо, состоящее из жидкого кислорода (Оэ) „, иуглеводорошюго горючего (УВГ). Такое топливо применяли в американской РН "Сатурн-5" (сУВГ ВР-1 типа керосина) и до настоящего времеви применяют на всех трех ступенях РН "Союз" (ее первые две ступени аналогячиы 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). Ошюко керосину свойственен ряд недостатков: при прохождении по охлаждающему тракту он образует углеродистые отложения, что может привести к перегреву и прогару стенки камеры: в продуктах сгорания (особенно в восстановительных газогенераторах ЖРД с дожиганнем) содержится повышенное количество свободного углерода (сажи), осаждение которого иа элементах газового тракта снижает надежность двигателя.
В США рассматривают применение в качестве УВГ метана СНч, пропана СэНа и сжиженного прирошюго газа. Недостатком применения сжиженных газов является заметное уменьшение плотности топлива. При использовании топлива Оз + СНч можно создать ЖРД с более высокям давлением рк для камер с регенеративным охлаждением горючим. Наряду с вариантами двухступенчатых МТКК (" Спейс шаттл" и др.) за рубежом рассматривается эффективносп использования односгупенчатых МТКК. Использование топлива Оз + Сэ На в ДУ таких кораблей дает некоторое снижение массы сухой ДУ по сравнению с топливом Оз + ВР = 1. 407 Применение метана и пропана для регенеративного охлаждения камер кислородно-углеводородных ЖРД с дожиганием и с высоким давлением в камерах позволяет поднять указанное давление для ЖРД на топливе +СН4 выше 27,5 МПа,адлятоплива О, +С, На — до 23,5 МПа.
Возможно создание высокоэффективных ЖРД и на топливах + ВР-1 и Оэ + В3-5, если для охлаждения камеры применять кислород. Регенеративное охлаждение камеры ЖРД жидким кисло до впервые за рубежом было осуществлено фирмой "Мессершмидт Б ько (ФРГ). Теоретические и экспериментальные исследования, прове енн в Сй!А, показали, что максимальное давление в кислородно-углев оро ных ЖРД с регенеративным охлаждением хащким кислородом мож достигать 27,5 МПа. Синтетическое углеводородное горючее К1-5 имеет пло ность 1001 кг/м, т.е. существенно выше, чем у керосина. Однако пля сйнтетических горючих характерна повышенная стоимость.
Разработке углеводородных горючих повышенной плотности, в частности из отходов и побочных продуктов нефтехимического производства, уделяют большое внимание: эффективно применение таких горючих с плотностью, близкой к 1000 кг/мз, обеспечивающих с жидким кислородом такое же (или несколько большее) значение удельного импульса, как и для топлива Оэ + керосин. Для увеличения полезного груза космических ракетных ЛА эффективно применение нереохлажденных компонентов топлива, с этой целью можно использовать: смесь переохлажденного жидкого и твердого водорода, а также смесь переохлажденного жидкого 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 %; плотность такого водорода составляет 81,4 кг/мэ, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
