Колесников К.С., Самойлов Е.А., Рыбак С.А. - Динамика топливных систем ЖРД (1049223), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Рассмотрим теперь часть э„топливно)! системы (рнс. 3. 5), состоящей иа трубы Т, спльфона 1! и двигателя ?О, которьш может совершать относитечьно потока колеоаиня на упругой подвеске. Динамические свойства трубы определя!отса уравнениями (2. 2. !6), сильфо. иа — уравнением (2.6. 2), в котором пало !шложить Ф, =!1?,. Динамические свойства двигателя как исто шила энергии при отклонении давления иа входе только одного компонента иа основании (3. 1.
10) можно выразить комплексным числом 1?„=-К [р„р!.[! .. (3. 2. 5; Рис 3. а Динамические свойства двигателя как нагрузочного агрегата при отклонении расхода только одного компонента иа основании (3.!.! !) можно выра'ить комплексным числом " — К [ин р! [ р?ю (3. 2. 6' На основании уравнений (2.2.!6), (2.6.2), (3.2,5) и (3 2.6) пс" трудно составить динамическую блок-схему рассматриваемой шстн топлпвцои системы. Она представлена на рис.
3.6. рвруда) (Еильфен) 1 (д6детпеь,,) Рне. З 6. Взаимосвязь динамических характеристик магистрали, имеющей криволинейные участки, с упругимп колебаниями корпуса рассмотрена в предыдущей главе (З 5). Отклонснпе лавлеш1я перед насосом можно определить из уравнения (2. 5. 20). й 3. ДИНАМИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ »г)ля решения задач динамики топливная система ракеты расчленяется на отдельные элементы, для которых разработаны математические модели. Например, жидкое топливо совместно с упругой оболочкой бака выделяется в самостоятельную динамическую схему для определения часто~ собственных колебаний и при веденных масс колеблющейсв жидкости (механических осцилляторов) Механические осцилляторы, в свою очередь, являя тся составной частью динамической схемы упругого корпуса прп определении его форм и частот собственных колебаний. )длшшые участки расходных магистралей рассматриваются как элементы системы с распределенными параметрами, и для анализа их динамических свойств разработаны надежные математические модели.
Расходные шайбы, коллекторы, оильфспы, гндравлпчес. кис и газовые аккумуляторы ооычяо рассматривают как элемен. ты с сосредоточеннымн параметрами. Двигатель со цшскоц' ытробежцым насосом является самой сложной частью топлшшой системы и для анализа его динамических свойств, кроме теоретических методов, в большом объеме применяют и экспсрпментальныс. Объединение решений дифференциальных уравнений отдельных элементов топливной системы в единое целое производится с помощью граничных условии, в которые включаются и взаимные перемещения вследствие упругих деформаппй или продольных колебаний корпуса ракеты.
Блок-схема каждого пз элемен- тов топливной магистрали представлена в виде четырехнолюсннка, выража|ощего зависимость между давлением и скоростью ясндкости па входе и элемент топливной магистрали и на выходе из него. Блок-схему топливной магистрали удобно составлять, начиная с элемента магистрали, который является входным.
Тогда выходные параметры этого элемента будут являться входными для последующего элемента и т. д, вплоть до двигателя. Составим блок-схему расходной магистрали, схема которой показана па рпс. 3.7. На схеме отмечено ряд сечений, которые условно будем считать границами характерных элементов магистрали. Между сечениями 1 — 2 расположен магистральный трубопровод низкого давления, да- Ь вг лес по потоку находятся сильфон, решетка, создающая «активное» сопротивление, коллектор, упруго подвешенный к «эд корпусу ракеты, между сечениями 5 — 6 расположена одна из ветвей расходной магистрали, да- ~М Р ь . Р . г, лее встроен сильфои, справа от сечения 7 нахо- Р«гьм Рге гм дится двигатель со шперк« 3 коцснтробежным насо- сои, показанный в впдс одного олока.
Относительно потока двигатель может совершат» колсолши ~ю закону Фле"". На выходе из бака установлен воронког ц|~ гель. Колебания коллектора относительно потока жидкости в магие грал~ ном трубопроводе непосредственно не вызывают отклонение перепада давле1!пя на решетке, так как коллектор совершает дяпжсппс глясстс с решеткой Перепад давления на решетке возникает только вследствие отклонения скорое~ей потоков ца входах в ветви мапютралп, идущие от коллектора к двигателям. Отклонение скорости. вызваннос колебаннсм коллектора, как вследствие колебапий давления в коллекторе, так и колебаний точки подвеса коллектора, передается непосредственно сечению потока : параметрами р.. '",. Эти особенности отображены на динамической блок-схеме, которая представлена на рпс.
3.8. Нагрузочным агрегатом для расходной магистрали является двигатель, включа~оцпсй в сеоя шпскоцептробсжный насос и папориу|о магистраль, Применительно к схеме, приведенной на рис. 3.8, отклонения давления Рм и скорости а;, соответствуют отклонениям давления и скорости потока на входе в насос. г1ля каждого двигателя соотношение между отклонениями давления и скорости потока перед насосом должно быть вполне опрслсленпьыг и можст быть выражено через комплексный нмпспданс двига.
толя. В общем случае это соотношение можно представить в виде (3. 3. 1, где рая ок — отклонение давления н скоросзи потока па входе я насос; Кгое, р~„) — комплексное передаточное число двигателя (в данном случае,— комплексная про:юднмость двига1- л"1 оеталькме К, ое; коллектор Решетка г я детдь 1 трудеородода ~ оальфок ~ ддагатель Рае. 3. 8 Отклонение давления рга определяется динамическими свойствами расходной магистрали.
Чтобы это отклонение определить, нужно знать комплексный импеданс двигателя. После того как определено отклонение давления перед насосом, по уравнению (3.3.!) можно определить отклонение скоро тн потока на вхо. дс в насос о„, а по отклонению скорости поступления топлива в двигатель найти отклонение давления в камере сгорания. рассмотренный пример дает хорошее представление о методике составления блок-схем топливных магистралей: магистраль разбивается на отдельные типичные элементы, динамические свойства которых выражаются уравнениями четырехполюсника. Выходные параметры (р, о) предыдущего четырехполюсника являются входными параметрами для последующего четырехполюснпка. Блок-схема всей магистрали составляется путем соединения блок-схем последовательно расположенных четырехполюсников.
$4. ДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМАХ ЖРД Все элементы топливной системы, связанные с упругим корпусоч ракеты, подвержены колебаниям ~и значительным динамическим нагрузкам, Причин для возникновения колебаний довольно много. Основными из иих являются: запуск и отсечка двигателя, пазделение ступеней, продольные автоколебания. Динамические расчеты топливных систем имеют два основных аспекта: ! ) анализ динамических перемещений, нагрузок и напряжении с целью обеспечения прочности конструкции всех элементов; 2) анализ устойчивости номинального режима замкпутои системы и разраоотка мер, обеспечивающих эту устойчивость.
Запуск двигателя часто начинается с подрыва пиропатроном кпусковой мембраны», которая до момента пуска отделяет компонент топлива в бакс и трубопроводе от полости двлгателя. После подрыва мембраны жидкость устремляется по трубе вниз, образуя в выше лежащих слоях разрежение. Волна разрежения со скоростью с,, равной скорое~~ зву~а в заполненной жидкостью расходной магистрали, распространяется к баку и, отражаясь ог чего, в виде волны повьппепного давления возвращается в рас. ходную магистраль.
Как труба, так и жидкость обладают упругостью и прп изменении давления образуют своего рода гидравлический аккумулятор, который оказывает влияние на характер наполнения расходпои магистрали, насоса и напорных магнстралсп двигателя. Прп встрече с сопротивлениями жидкость тормозится и возникает явлс:шс гпдроудара. Прн возникновении тяги двигателя происходит динамическое вагружсш,с корпуса ракеты и возникают продольные колебания коопуса и присоединенных к нему узлов топливной системы Прп отсечке двигателя возникает гидроудар вследствие торможения жидкости озсечным клапаном и продольные колебания корпуса вследствие внезапного снятия нагрузки. Как при запуске, так и прп отсечке двигателя возникают колебания диищ баков, коллекторов, узлов крепления топливных магистралей, колебания двигателя по отиошеп~ио к потоку топлива, ,зв Пусть, например, в двухступенчатой ракете в момент, предшествующий холодному раздсленикз ступеней, произошла отсечка двигателя первой ступени, До отсечки двигателя днища топливных баков второй ступени под действием давления жидкости имели прогиб, величину которого для пологого сферического днища можно определить по формуле ! — и неп,.дпз 78 2 ев где р — коэффициент Пуассона для материала дншца; Е, 6, Р— модуль упругости, толщина и радиус днища; Н вЂ” высота столба жидкости в баке (принимается одинаковой для всех участков днища); в — плотность жидкости; а, — коэффициент продольной перегрузки перед отсечкой двигателя.
Величину прогноа днища можно также приближенно вычислить с помощью модели механического осцплляторз для упругого бака с жидкостькь Величина прогиба выев „я тв — —. л„„ где лг,г, 鄄— приведенная масса и приведенная жесткость мехапического осциллятора, соответствующего первому тону колебаний оака с жидкостшо, Если считать, что прп отсечке тяга двигателя снимается с корпуса мпювенно, то амплитуда колебаний днища буде~ равна величине прогиба днища перед отсечкой двигателя. Колебания дпиш баков, двигателя с насосами относительно потока жидкости могут быть настолько большимн, что произойдет отрыв жидкого топлива от дпиш баков, разрывы жидкости в расходной магистрали.
Поэтому перед запуском двигателя последующей ступени принимаются меры к успокоению жидкого топлива, к сплошному заполнению топливпоа м; гпстрали. На активном участке траектории топливо в расходных магистралях подвергается дспствию различных возмущений. Нскоторые нозмупгения имеют периодический характер и вызывают вынужденные колсоания жидкости. К числу наиболее важных пернодическмх возмущений следует отнести колебания давления жидкости на днищах баков; колебания узлов крепления топливных магистралеи, обусловленные продольными колебаниями корпуса ракеты; колебания давления в камере сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
