Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Двигательные установки с вмтеснительной системой нодачи портной характеристикой (м1с); и — показатель степени, зависящий от состава ТТ (как правило, и < 1). Скорость горения ТТ зависит также от его начальной температуры и может быть аппроксимирована выражением 1 и~ = иьо ' 1 — Р(Т вЂ” Т) (9.68) Типы пороховых аккумуляторов давления По принципу действия пороховые аккумуляторы давления разделяют на сверхкритические и докритические.
По назначению все ПАД можно разделить на основные и пусковые. На рис. 9.21, а показана схема сверхкритического ПАД. В прочном корпусе 1 размещается единичный заряд ТТ 2 (или несколько зарядов) медленно горящего состава. При запуске заряд ТТ зажигается с помощью воспламенителя 3, состоящего из дымного ружейного пороха или пиротехнической смеси. Инициирование горения воспламенителя производится с помощью пиропатрона типа ПП. В результате горения ТТ образуются газы высоких темпе- где и1о — скорость горения при заданной начальной температуре То, Т— температура заряда; Р— физико-химическая константа, характеризующая данную марку ТТ.
Значения скорости горения и| о, показателя степени и, константы Р и некоторых других параметров горения порохов приведены в табл. 9.3. При выборе топлива для ПАД желательно, чтобы оно имело, в первую очередь, низкую температуру горения, так как при этом уменьшается тепло- отдача от продуктов сгорания. Эго облегчает условия работы элементов конструкции, нагреваемых продуктами сгорания (баки, трубопроводы, клапаны и т. д.),и устраняет необходимость введения специального охлаждения продуктов сгорания. Кроме того, желательными свойствами топлива являются инертность продуктов сгорания по отношению к вытесняемым компонентам, низкая чувствительность топлива к изменению его начальной температуры и отсутствие твердых частиц в продуктах сгорания. В пороховом аккумуляторе давления находят применение как двухосновные (баллиститные), так и смесевые топлива.
Для более эффективного использования в ПАД твердых топлив изменением соотношения связки, горючего и окислителя или включением в состав топлива органических веществ типа дициандиамида и щавелекислого аммония температуру горения порохов опытных марок удается уменьшить до 1200 К, что является приемлемой величиной для агрегатов системы подачи жидкого ракетного топлива. 9.6. Вытеснительньзе системы подач аккумуляторами давления 465 ратуры и давления, которые проходят через дроссельное сопло 4 и по трубке 5 поступают в баки горючего и окислителя. Таблица 9.3 Показатели горения некоторых порохов [1, 38! Нижний предел горения рмы МПа (Н м)/кг Рь. гусм ико, мм1с 27,К' Марка ТТ Балли ститное топлив Н, НМ-2, Т-б 2200... 2300 880000 0,7 3,92 0,6 0,0038 1,6 М-8, Т-5 НБГ-8 3100...3200 0,885 0,69 1,47 1,6 !430 0,3 1,53 0,832 3160 1000000 0,71 0,005 1,6 3!60 1000000 0,879 0,69 0,0038 1,61 1,96 Смесево е твердо е топл иво На основе КС104 типа А2Т 510000 ...590000 1800...2100 1,24 0,7 0,002 1,77 4,9...6,87 На основе )ЧНхс!0„ типа АР 600000 ...900000 1500...2500 2,2 0,4 0,0014 1,75 1,375 На основе )ЧНь!Чо„ типа АХ 1500...! 700 1755 580000 ...660000 0,5 0,4 0,001 1,55 0,687 ПАД состоит в том, что отношение 1 2 6 4 1 2 6 5 т Рис.
9.21. Схемы ПАД: Температура горения (К) при р„= 4...7 МПа Основной принцип работы такого давления подачи ра к давлению в камере ПАД р„меньше или равно критическому: При таком перепаде давлений в дросселирующем сопле устанавливается критическая скорость течения газов. Ввиду необходимости большого перепада давления р„/рб давление в сверхкритическом ПАД доходит до а — сверхкрнтичеекнй; б — докрнтнческнй; ! — корпус; 1 — топливо; 3 — воспламени- тель; 4 — дроссельное сопла; 5 — труба для выхода газов; 6 — предохранительный клапан; 7 — пусковой ПАД 466 1лава 9.
Двигательные установки с вытеснительной системой подачи Рис. 9.22. Схема ПАД с устройством для охлаждения продуктов сгорания: 1 — топлива; 1 — горячие продукты сгорания; 3 — многоканальный фильтр из охладителя; 4 — охлажденные продукты сгорания 20...25 МПа, что приводит к значительному утяжелению ПАД. Кроме того, при таких давлениях имеет место интенсивная теплоотдача от продуктов сгорания в стенки камеры сгорания ПАД, что приводит к трудностям в организации охлаждения агрегата.
Поэтому в настоящее время сверхкритические ПАД находят применение только в качестве пусковых. В отличие от сверхкритического в докритическом ПАД (рис. 9.21, б) нет дросселирующего сопла. Разность давлений в ПАД и баках р„— рв при этом невелика и определяется потерями в системе подводящих трубопроводов. Поэтому и давление в камере докритического ПАД р„невелико, что делает его легче. Можно считать, что давление в камере докритического ПАД практически равно давлению подачи рв.
Для предотвращения повышения давления сверх заданного в камере сгорания ПАД необходимо устанавливать предохранительный клапан 6, который служит для сброса избытков продуктов сгорания. При работе двигательной установки с вытеснительной подачей стремятся максимально сократить время выхода системы подачи на режим, т. е.
время, в течение которого давление в баках доходит до номинального давления подачи рв. Оно зависит от свободного объема баков топлива и размеров подводящих газ трубопроводов. По условиям работы двигательной установки это время не должно превышать 1...2,5 с (в зависимости от конструкции установки). Поэтому в системах подачи с ПАД, кроме основного, устанавливают дополнительный — пусковой ПАД, работающий при высоком давлении. Пусковой ПАД служит для быстрого заполнения газом свободного объема баков топлива и подводящих газ трубопроводов.
Заряд пускового ПАД также воспламеняется от специального заряда с помощью пиропатрона. В зависимости от времени работы ПАД и температуры продуктов сгорания ТТ основные пороховые аккумуляторы давления, служащие для вытеснения компонентов, могут быть охлаждаемыми и неохлаждаемыми. Охлаждается ПАД обычно одним из компонентов.
Пусковые ПАД работают очень короткое время и поэтому не охлаждаются. 1 2 3 При работе ПАД на ТТ с высокой температурой горения уменьшение температуры продуктов сгорания за 3 счет теплоотдачи в окружающую среду, элементам конструкции и жидким компонентам может оказаться недостаточным. Поэтому в некоторых случаях продукты сгорания ПАД охлаждают путем отбора тепла от них на испарение или возгонку специально вводимых охладителей.
9.6. Вытеснительные системы подач аккумуляторами давления 467 На рис. 9.22 показана схема охлаждения продуктов сгорания, поступающих из ПАД, путем возгонки (сублимации) охладителя. Продукты сгорания высокой температуры из ПАД поступают в многоканальный фильтр 3, выполненный из щавелекислого аммония, в результате возгонки которого температура продуктов сгорания снижается до требуемого уровня.
Расчет порохового аккумулятора давления При работе ПАД в системе «трубопроводы — баки» происходят следующие явления. 1. Интенсивное охлаждение горячих газов в трубопроводах и в самих баках за счет теплоотдачи в окружающую среду, конструкции и компонентам. 2. Испарение жидких компонентов и частичное растворение в них продуктов сгорания ТТ. 3. Поскольку продукты сгорания ТТ характеризуются отрицательным кислородным балансом а < 1, то в баке окислителя при взаимодействии их с парами окислителя происходит догорание СО и Нъ что приводит к повышению температуры газов в баке окислителя по сравнению с температурой их в баке горючего.
Все эти явления оказывают влияние на вытеснительную способность пороховых газов, а следовательно, и на подачу компонентов. Однако точно учесть их влияние практически невозможно. Поэтому при расчете ПАД исходят из предположения, что в течение всего времени работы ПАД газовый объем системы заполнен только пороховыми газами. Указанные выше процессы охлаждения, растворения и догорания газообразных компонентов учитывают введением опытных коэффициентов. При расчете размеров заряда ТТ исходят из следующих требований: 1) секундный объемный расход продуктов сгорания, поступающих в баки, должен быть равен необходимому секундному объемному расходу топлива (горючего и окислителя); 2) время горения заряда должно быть равно времени работы двигателя.
Из расчета двигателя нам известен секундный освобождаемый объем баков: тг тп Д, = — л- —. Р. Рп (9.69) тп 0п.с Рп.с (9.70) С другой стороны, объемный газоприход продуктов сгорания ТТ за 1 с составляет 468 Глава 9. Двигательные установки с вытеснительной системой подачи где т „— масса ТТ, сгоревшего в единицу времени; рпл — плотность про- дуктов сгорания ТТ при температуре и давлении подачи рв. Очевидно, что т„= Р'пирл, (9.71) где Є— площадь поверхности горения заряда ТТ, р„— плотность ТТ. При вытеснительной системе подачи компонентов с помощью ПАД имеем тп Ос =Дпс = —. Рп,с (9.72) По уравнению состояния газов с'„ир„ЯТа 0с Ра (9.74) откуда находим необходимую поверхность горения заряда ТТ: р Раас ир„Я Та (9.75) Эта формула не является окончательной, так как в нее входит температура сгорания ТТ, значение которой в зависимости от марки ТТ находится в пределах 1200...2500 К.
В баках продукты сгорания имеют более низкую температуру, порядка 800...1000 К. Как уже отмечалось, зти значения температуры продуктов сгорания могут уменьшиться как вследствие теплоотдачи от них, так и в результате принудительного охлаждения. Поскольку температура продуктов сгорания ТТ, поступивших в баки, ниже температуры горения в камере ПАД, то для получения необходимого секундного расхода топлива и заданного давления подачи необходимо сжигать в 1 с большее количество ТТ, чем было определено при расчете по формуле (9.75), т. е. масса топлива, сгорающего за 1 с, должна быть увеличена во столько раз, во сколько уменьшается абсолютная температура газов. Кроме того, камера ПАД должна вырабатывать некоторое дополнительное количество газа, необходимое для устойчивой работы клапана сброса (9.73) ЯТа ' где Я вЂ” газовая постоянная продуктов сгорания ТТ, Тв — температура продуктов сгорания ТТ в баке, рв — давление подачи.
Произведение ЯТ в теории горения смесевых конденсированных систем принято называть приведенной силой ТТ Го. Для различных твердотопливных составов, перечисленных в табл. 9.3, величинаГо= 5,8 . 10'...10 10' Н.мlкг. Подставив выражения (9.71) и (9.73) в уравнение (9.72), получим 9.6. Вытеонительные системы подач аккумуляторами давления 469 давления и для восстановления рабочего давления в баках рв в случае его понижения по какой-либо случайной причине.
Все эти факторы могут быть учтены введением коэффициента у = 1,2...3,5. Точное значение коэффициента у > 1 определяется из опытных данных при доводке системы. Строго говоря, снижение температуры как за счет теплоотдачи, так и за счет добавки специального охладителя приближенно можно оценить. Однако всегда останутся неучтенные факторы, влияющие на изменение температуры продуктов сгорания, и все равно необходимо вводить коэффициент, учитывающий воздействие этих факторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
