Расчет пневмогидравлических систем ракет

Н. М. БЕЛЯЕВ

РАСЧ ЕТ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАКЕТ

МОСКВА

«МАШИНОСТРОЕНИЕ�

1�3

ББК 39.62 Б43 УДК 629.7.036.001.2(082)

Рецензент д-р техн. наук С. Д. Гр и ш и н

Б ел я е в Н . М.

Б43 Р асчет п невм огидр авлических систем р а кет. - М.: Ма­ ш и ностроен ие, 1 983. 2 1 9 с., ил. В пер.: 1 р. \0

к.

В книге изложены оснсnы теории расчета основных характеристик пневмо· nнсвмогидравличе­ rндfнlвличсскнх с истем. Рассмотре ны принципиальные схеыы сl..:.нх C!Jcre;�t. Бо.i�ьшое ВНJI�ншне уде:1сно вопросам rндродинамш<н топ�1Iшных сн­ rте�l. П одро б но рассмотрены процессы в топливных GaJ\ax прн их н аддуве. П ри� недсн.ы Нl,.lюсrрацни методов р асчет а н nроек1нровання. 1\нига рассчитана на инженерно-технических работнин:ов, з а н и м ающ и хс я рас­ чсто:'\1 н проектиров анием JJетате ьных апnаратов. Онu будет полезна также сту­ л денте�м ВУ.3О В соснветствующих спецнз.Т"(ьностей.

Б

3607000000-440

038( 01 )-83

Свод . пл. подписных и зд. 1983

r.

Б Б К 39 . 62

6Т6

© Издательство «Машиностроение», 1983

г.

П РЕДИСЛ ОВИЕ

Пневмогидравлическая систем а явл яется н еотъемлемой частью ра кеты и оказывает з н а ч ительное влияние на е е р а ботоспособность. Пр и п р оектирован н и пневм огид росистемы необходимо в ыбрать опти м ал ь н ы й в а р и ант с истем ы п итания и определить е е основн ы е хар а ктер и стики. 8 отечественной и за рубежной литер атуре и м еется з нач ительное кол и чество р а бот, п освя щенн ы х вопросам р а счета и в ыбо ра основ­ ных проектных п а р а м етров п нев могидросистем . Однако эти р а боты носят р азрознен н ы й х а р а ктер и отр ажа ют лишь частные вопросы ра з р а бопш этих систем . В п р едлагаемой Iши ге пос.ТJедовательно и систематизированно и зложен рн:з: ?".'�н. свя з а н н ы х с р асчетом и выбором основных п а ­ р а м етров п н евмогндр авлических систем . В следстви е бурного р аз­ вития р а кетно- космичес1юii техн ики в одной книге не представляет­ ся возможным осветить все последние достижен ия в р а ссматрива­ емой области. Одн а ко, п риведен н ы й в данной книге м атериал дает читателю необходимое п р едставление о существующих п роблем а х к а к теоретичесJюй , т а к и э кспер и м ентальной отработки п невмогид­ роси стем . Автор п р иносит глубокую благода р ность а каде м и ку АН УСС Р В . С . Будни ку, д - р у техн . наук, проф . М. И . Дупли щеву, д-ру 1ехн . наук, п роф. Е . К. Мошкину, д-ру физ.-м ат. н аук, проф . В . А. Оста­ пен ко, канд. техн. наук И . Г. П исареву з а ценные замечания, вы­ ска з а н н ы е при обсужден и и будущей книги. Большую п омощь в п р оведении ч асти исследовани й оказали инженер Н . П . Сытник, доuент Н. П . Бел и к, канд. техн. н аук Г. И. Ильин, кото р ы м автор в ы р ажает свою призн ател ьность. Отз ы вы, критические з а м еч а н и я и пожел а н и я следует напр а в­ лять п о адресу : Москва , 1 07076, Москва , Б-76, СтромынскиИ пер ., 4, издательство «Машиностроение».

Глава

1

О БЩ И Е С В ЕД Е Н И Я О Р АКЕТАХ И Р АКЕ Т Н Ы Х Д В И ГАТ ЕЛ Я Х

В н а стоящее время н а р а кетах- носителях и космических .ТJета ­ тельных а п п а р атах шир око п р им еняются два основных т и п а д в и ­ гательных установок : двигательные уста новки н а ЖИ.J.iШМ топл иве и двигател ьные установки н а твердом топливе. Р а кета-носител ь - л етательн ы й а п п а р ат , испо.пьзующий р а кет­ н ые двигател и и способн ый доставлять о бъект в з а д а нную точ ку косм ического п р остр анства с заданной скоростью. Косми ческий л етательный а п п а р а т - летательн ый а п парат, л е­ тящий в космическом п ростр а нстве п о ор бите, который может пм еть с редства для изменения орбиты полета . Силовая у стан ов ка а п п а р а ­ та н азы ваетс я р акстноl1 двигате.1ыюй установкой. Р а кетн ый двигатель - реактинный двигател ь, не исподьзу­ ющий для своей р а боты из окружающей среды н и энергию, н и р а ­ бочее тело . Р а кетн ая двигател ьная установка им еет истс.чниi< энер­ гии и з а п а с р а бочего тел а и п р едн азначена для получен и я тяги пу­ тем п реобр азов ания любого в ида энергии в кинетическую энергию р а бочего тел а , отбр асыв аемого от двигателя в окружающую среду. В настоящее время п одавляющее бол ьшинство р а кетн ых двигателей испол ьзуют х и м ическую энергию - химическое топ.пиво. Источни­ ком энергии служит реакция горения, идущая с выделением тепла . В данно й книге двигательн ы е устаноВiш н а твердом тонливе н е р асо1 а т р и в а ю тся. Двига тел ь н а я уст а н овка с жидкостн ы м р акет н ы м д в и г а т е л ем (ЖР Д) состоит пз одного и л и неско.'II>ких двига те.1ей;

то пли вн ых б ако в ; р асходн ых ма гистр алей и вспо:\;ю г а те.1ьн ых уст­ ро йст в п систем, обеспечив а ю щих з а п р авку б а коа компонент ами то пл и в а и з а р я дку аккумуля т о р о в д а вленпя , хр а нение ко:-.шонентов т о плив а , предпусков о й и осн о в н о й н а ддув баков, по;�ачу ко:-.Iпонен­ тов т о плива в камеру сго р а ния ЖР Д во вре:-.1я р а бот ы ; системы з а п уска, р егулиров аюш и отключени я . Н а р и с 1.1 и 1.2 п р ив едс н ы п р шщ и п и альные конс трукт ивны е схем ы одн ос ту пе н ч а то й и д вухступенчато й р а кет [55j. Н а р ис. 1.2 п р и в ед с на п р инци п и а л ь н а я конструктивн ая схем а д вухс тупенч ато й р акеты с последовательным соед иненнем ступе­ ней . И з рису нка вид н о, что двухступенчатая р а кет а состопт из го­ .

ловн ой части, перво fi и в тор ой ступеней . Кажда я ступень имеет те же си стем ы , что и о дноступенч атая р а кета . Втор а я ступен ь соеди ня­ ется в п ер в о й с по:\ющr,ю п е рех од н а го отсека 8 р азр ы в н ы:-.ш бо п а .

4

-

9

.,

10

1J

!}

11

Е � � �:_:-

{

7

б

5

�

1

J

l

l

1

Рис. 1.1. ПрltнЦIIПИальная схема одноступенчатой ракеты:

1 - г ол о в н а я часть; 2- переходной отс е к ; З- б а к окисл ител я ; 4- пр и б ор н ы й отсек; 5 - бе.к г орю чег о ; 6- х в ос т о во й отсек; 7- двигатель; 8- органы систем ы упра вления; 9- пн е в м оси ­ 12Слител я; 0 ючего; ема м 11снетема 01\: го систе ст ; 1 а � р система наддува.; 13- система отдел е ния r о л овно и ч а с ти

Рис. 1.2. Принципиальная схе ма двухступенчатой ракеты: 1 - головн а я ч а сть ; 2 - пе ре ходн о Н отсек; 3 - б а к о к и сл ител я ; 4- прнборный отсек; 5 - ба к ropючerrJ; б- хвостовой отсе к ;

д в н г а гель; 8 приборный отсек;

7-

13-

двиг атель

'

т----f+t-o-:\.--2

15� <:::� : s:.."' 1::�::

c:t::l<...>

]"

1'-.!.---:1--4

5 б 7

8

9

10 71

пе рс ход н ой отсек; 9 - б а к окислител я ; 10/1- ба к г о рю ч е г о ; 12- хвостоrюй отсек;

м и или быстродействующи м и з а м к а м п . П р и один а ковых диа м етр ах ступеней п р и меняются цилиндрические п ереходвые отсеки при р аз­ н ы х диаметр ах ступеней - ;пер еходн ые отсеки конической ф о р м ы. В м ногоступ енчатых р а кетах и м еется систе м а разделения ступеней. Многоступенч атые р а кеты п о способу соединения ступеней вы пол­ н я ются п о схеме с последовательн ы м , п а р аллельным - в виде п а­ кета и комбинированн ым соеди не­ нием ступеней. Каждая ступень р а кеты состоит из ба ков для ком ­ понен тов топлива, iв игател ьной установки, п р и бор ов упр авления, есл и они им еются в отдел я ющей ­ ся ступен и . В полет е ступени от­ дел яютс я в определенном п оряд­ ке, посл е израсход ов а н и я основ­ ной м а ссы топл и в а , н аходя ще йся н а да нной ступ ени . Н а р ис. 1.3 п р иведены п р инци. п и альн ы е ко н стру кти в н ы е сх ем ы мн огоступ енчатых р а кет [55]. Н а р и с . 1.3, а п р и ведена п р и н· ц и п иальн а я схема составно й р а· а) кеты с п оследов ател ь н ьш соеди­ нением ступеней. В такой с х ем � Рис. 1.3. Принципиальная с хема •шогосту­ ступени р а кет соосно р а сп ола га­ нснчатьrх ракет: ются одна за друго й . Такие схе:\1Ы а с последовательным соед и н ением сту· пснсй (тандемная cxe:\ta); б- с nараллель­ называю т схе м а м и с попереч ны­ ньоt сосди н с н ис:\.1 ступеней (nа кстн а я cxe­ :\.ICJ): в- с ''омбиннроваiШЫ!\1 соединением м и делен и я м и ступене й илн танступеней (схема пакст --тандем) -

5

дем ной схемой . В таких р а кетах сначал а р абот ают р а кетн ые дви­ г ате ли пе рвой ступ ени . При достижен и и р а кетой заданной скорос­ ти пер в а я ступе н ь отдел я ется и включ а етс я двигательн а я установ• ка второй ступе н и . При достижени и з а д а нной скорости д·ВИГflТель­ н а я уста н овка г.оследней ступени в ы кл ю ч а ется и отделя ется голов­ н а я ча<;ть. Пр и м ерам т а к и х р а кет явля ются : двухступенчат ые р а ­ кеты «Титан-2», « Космос», трехсту пенчатые р а кеты- носител и : «Са­ тур н-5» , «Европа- 1 » и др. [4 1 , 44, 67]. На р ис. 1 .3, б п р и веден а пр инципиальная схе м а сост а вной р а ке­ ты с п а р аллел ьн ы м соединением ступен е й . С тупен и соединены одна с другой в п а кете, т а к что их п р одол ь н ы е оси п а р а .'Iлельны н.тш н а ­ клонен ы одн а к другой на небол ьшой угол . Та . к ие р а;.;еты можно создать, соединяя в связку необходимое количество одпоступенча ­ тых р а кет. В качестве ступеней м огут использоватьс я как 1Вердо­ топливн ые, т а к и жидкостные двигател и . В р а кета х-па кетах первая и вто р а я ступени могут состоять из не­ с кольких д вигате.Тiей с собствен н ы м и топ л и в н ы м и б а ками. Разде.Тiе­ ние ступеней осуществл я ется в плоскостях, п а р аллел ьн ых продоль­ ной оси р а кеты. Ра кеты- п а кеты и н огда н а з ы в а ют ра кетам и с про­ дольн ы м делен ием ступеней. В виде п а кета может в ы полняться т а к­ ж е и вто р а я ступень. Порядок включен и я и в ы ключения двигателей и отделе н и е ступеней п а кетной схем ы м ожет быть с а м ы м различ­ н ы м и зависит от конкретной конструктив ной схем ы ра кt:ты. Н а старте з а пуска ются двигател ьные установки л ибо только бо­ ковых блоков, л ибо сразу всех бло ков . После из расходо ваJtИЯ топ ­ л и в а боков ы х блоков последние отделя ются, а центра.ньны й блок продолжает полет ( р а кеты- носи тел и « С путн и к» и «Атл ас» ) . Н а р и с . 1 .3, в пр иведен а п р ин ципиальная схем а составной ра ке­ ты с комбиниро ванным соединение м ступеней ( схем а « пакет - тан­ дем »). Такие схе м ы составных р а кет сочета ют п а кетное и nоследо­ в ател ьное соединени е ступеней ( первая и втор ая ступени �оединя­ ются в п а кет, а третья - со второй ступенью последов ател1>н о). П р имерам таких соста вных р а кет явля ются р а кета - носител ь «Со­ юз » и «Титан-3 с». Центр альн ы й бл ок трехступе нч атой р а кеты - с посл едовател ь н ы м соединени ем ступеней, н а р а кету «Тита н -3с» на­ веш и в а ются два стартовы х Р ДТТ, котор ые в кл юч а ются одновре­ менно сразу после включени я двиг ател ьной уст ановки первой сту­ пени [67]. Таким обр азом, независим о от ч исла ступеней и т и п а испол ьзу­ емого топл ива , р а кета состоит из корпуса, двигател я , систем: отде­ ления голов н ы х ч астей, р аздел е н и я ступеней, системы п итани я, ап­ п а р атур ы систем ы упр авления и исполн ител ьных органо в уп равле­ ния. Жид кие р акетн ы е то п л ива

6

Жидки е р а кетны е двигате ли р а бот а ют на (унитар н ых) и двухком понентн ых топливах . Одноком понентны е топлива п р едставляю т н ы е жидки е хим и ческие соедин ения ( переки сь нитромет ан и д р .), способн ы е п р и р а зложени и

однокомпонентн ы х собой индивиду аль­ водор ода, г идра з и н , выделять энер гию с

о бр азованием г азообраз н ы х продуктов, и л и см еси горюч их с окис­ лителем в необходимых для горен и я соотношениях (н апри м ер, смесь пер екием водорода, этиловы й с п и рт - вода и др . ) . Одн о ком­ п о н е нтное топл иво р а з м ещается в б а ке и подается в ка:-.tеры через форсунки [ 1 8]. Двухком понент н ые топлива состоят из двух составны х частей ( ко м п о н ентов ) - горючего и окислителя, кото р ы е пом еща ются н а р а кете в отдел ьных ба ках, п ода ются в камеру сгорания р азде.1ьно и см ешиваются внутр и камеры сгор ания. Компонент тошшва, котор ы й подвер гается о кислен и ю в процес­ се сгор а н и я, н азывается гор ючим , а ком понент топ.шва, окисля ­ ющи й горючее, назыв ается окислителем . Под окислением а общем случ а е поним ается р е а кция горючих элем ентов с кислородом, фто­ р о м , хлором и т. п . Процесс окислен и я - обмен электр он а м и н а внешней эдектрон­ ной оболочке атомов, у ч а ствующих в процессе горен и я. В процессе о кислен и я атом ы горючих элем ентов отдают свои электроны, а ато­ м ы окисл ительных элем ентов - п р иобретают их. Окислитель и го­ р ючее в о бщем случ ае м огут быть элемента р н ы м и ( ж идкий кисло­ р од, фтор, жидкий водород и д р . ) и сложн ы м и соединениями, в со­ став которых входят как о кисл ительн ы е, так и горючие элементы. В соста в гор. ю чего в п р еоблада ющем количестве входят горючие элемент ы : углерод С , водор од Н 2 , бор В , алюм ини й Al, лити й Li, бери.ТJл и й Ве и др . , а в сост а в окисл ител я - кислород О 2 , фтор F2, XJIOp С! и др. [4, 33]. В табл. 1 . 1 п р иведен ы основные физи ко-хи м и ч ески е свойства не­ которых гор ючих и окисл ителей . Двухком понентн ые топлива м огут быть с а м овоспJi а м еняющие� ся и неса мовоспламеня ющиеся . Самовоспламеняющиеся компонен­ ты п р и соп р и косновен и и воспл а м ен я ются и не требуют специ а л ьн ой систем ы зажиг а н и я . К н и м относятся топлива н а основе азотной кислоты и о кислов азота совм естно с гор ючим - нес и м м етр и ч н ы й дим етилгидр аз и н ( НДМГ ) , тон ка - 250, гидрази н и д р . [4, 33]. Несамовоспл а м е н яющиеся топлива требуют установки в к а м ере сго р а н и я специа.пьной систем ы зажигания (топл ива жидкий кис­ лор од + с пирт, жидкий кислород + жидкий водор од и т. д.) [4, 33] . С а мовосп л а м еня ющиеся ком поненты топ л и в а и м еют ряд п р е­ им уществ перед несамовос п л а м еняющимися, а и м е н н о : упрощаются систе м а з а пуска двигател я и пневмогндр а влическая систем а двигательно й уст а новки; уменьшается оп асность взрыва в камере сгора ния п р и запуске и остановке двигателя; уменьшаются объем и м а сса камеры сго р а н и я; период з адержки вос п л а менения с а мовосп л а м еняющихся топ.1ив должен быть не более 0, 03 с. В р а кетной технике ш и рокое п р и м енение н а ш л и к а к низкокипя­ щие, т а к и в ысоко к и п я щие ком поненты топ л и в а . К низкокип ящим ком понента м топлива относятся гор ю ч н е и о кис.ТJитеJ1И с критиче­ ской темпер атурой ниже верхнего э ксплуатационного диапазона

7

Таблrща /.1

Физико-хи мические свойства горюч их и о ки сл и т еле й [4,33]

ХИ\fИЧеская С 1ЗбИ.1ЬНОСТЬ

l{o:\tJIOнeнr

Го рючи е Водород Аммиак

Триэтил а м и н Гидразин �онометилrидра­ зин Диметилrидразин несимметричный К силидин Этиловый спирт Анилин Керосин

н2 NНз (C2Hs)зN N2H4 H 2N-NH (С Нз) Н2N-Н(СНз)2 СвНз (СНз) 2NH2 C2HsOH CвHsNH2 С1 21Н1з.2J

Пентаборан

И : � �8 � 1 , ��3 31 1

2 : I !58 , 2 362 , 2 274 , 7 386 , 7 220 ,8 36) '7

1 335 877

2 1 5 , 9 336 , 1 583

0,07 1 Стабильный 0 , 09 0 , 68 То же » 0 , 728 » 1 ,0 1 4 ,4 » U , 875 0 , 790

»

3 ,3

» 288 '7 490 , 2 379 0 , 977 » 1 58 , 6 35 1 '7 837 0 , 789 » 1 , 022 266 , 9 457 , 5 0 , 033 0 , 82200-450 » 0 , 85 220 226 , 3 33 1 , 2 48 1 0 , 633 Ста бильный в герметич­ ной таре

Оки с л ит ели 54,4

90 , 1 2 1 3 , 5 80 , 7 1 6 1 , 3 306

Кислород Озон Фтор Азотная кислота

F2 НNОз

Перекись водорода Н2О2 N204 Четырехокись азота OF2 Окись фтора

55 , 2 85 , 2 1 72 , 5 23 1 , 5 359 ,О 625 273 , 5423 , 7 1 520 26 1 , 9 294 , 3 4 1 5

49 , 3 1 2 8 , 3 205 ,5

1 , 1 44 Стабильный 0 , 1 -J 1 , 35 Недостаточно стабиль ный 1 , 5 1 Стабильный 1 3 , 2 1 , 52 Недостаточ- О , 26 но стабильная 1 ,1 1 , 4 6 То же 1 , 4 5 1 Стабильная 0 , 1 8 1 , 52

»

тем пер атур ( ниже +50° С ) , т. е . гор ючие (водор од, а м м иа к) и окис­ л ител и (жидкий кислород, ж идкий озон, жидкий фтор , фтористый кисл ород и др . ) [33] . Н и з кокипя щи е компоненты топJiива п р и хр анении и нтенсивно исп а р я ются и требуют п р именения теплоизол иров анн ы х емкостей. В ысококипящие ком поненты топлива - это то п л и в а длительно­ г о хр анения , кото р ы е можно длительно хр а н ить пр и обычных тем­ п е р атур ах без существенны х поте р ь. Н и з кокипящие ком поненты топлива , особенно топлива на осно­ ве ж идкого rшслор од а , н а ш л и ш и р о кое п р и м енt>ние в двигательн ы х уста новках р а кет-носителей косм ических летательных а ппаратов. 8

Топливо кероси н+кислород шир око испол ьзуется к а к в С С СР ( двигател и РД- 1 07 и РД- 1 08 р а кеты « Восток» ) , т а к и в США (дви­ г ател и р а кет «Ат лас», «Юпитер », «Тор», « С а турн-5», «Титан- 1 » ) . П р а ктическое п р и м енение н а шло топливо несим м етр и ч н ы й диметил­ г идр азин+жидкий кислород, оно используется в двигателе РД- 1 1 9 второй ступени р а кеты « Космос» [4, 27, 28, 33, 44]. Топдиво жидки й водор од + жидки й кислород п р и м еня ется в д вигательных уста новк а х второ й·и тр етьей ступеней р а кеты « С а ­ тур н-5», р а кеты «Кент а в р » [ 4 , 38, 4 1 ] . Топдива н а основе N204 и НДМГ и д и аэроз ин-50 и м еют высокие энер гетические ха р а ктеристи ки. Топливо N2 О4+аэрозин-6О исполь­ зуется в двигателях р а кеты «Титан-2» и «Тита н-ЗС», а также п р и­ м е няется для м а рш евого двигателя косм и ческого кор а б.1я «Апол­ ЛОН>> [4, 67]. Топлива на основе азотной кислоты ( НNО 3+окислы азота) и м еют сравн ительно невысокие хар а ктер исти ки, но ш ирокий ди а ­ п азон ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ [4] . Н а первой ступени р а кеты « Космос» используется ч етырехка­ мерный двигатель Р Д- 2 1 4, р аботающий н а высококипящем азотном окислитеде и продуктах перер аботки керос и н а [28, 44]. Одноком понентны е (унитарны е) топл ива испош.,зуются в р а кет­ ных м и кр одвигатедях ддя р е а ктивных систем у п р а вления косм иче­ ских детательных а п п а р атов, а также в качестве источ н и ка энергии ддя п р и вода турбонасосных агрегатов и т. п . Одноком понентное топливо гидр азин испол ьзуется в двигатель­ ной установке косм ического кор абдя «Ма р инер», а та кже космиче­ с кого кор абдя «Пионер» [ 1 6, 44]. Двигатед ьная установка систем ы ориентации пилотируемого спутника «Мер кур ий» р аботает на однокомпонентном топдиве­ перекиси водород а . Перекись водо рода н а р а кетах V-2, р а кете «Ава нгард» и р а кетах « Космос» и «Восток» используется в качест­ ве р абочего тед а ддя п р ивода тур б и н ы [ 1 6, 1 � , 28, 44]. О с новн ые п араметр ы , характе р изующи е р а кетн ы е дв и гател и

Тяга и удед ьная тяга являются важн ы м и п а р аметрами р а кетно­ го двигатед я . Ур авнение дд я о п р едедения тяги п р и допущени и об одномерном движен и и газа п о соплу р а кетного двигатедя и мt>ет в ид ( 1.1)

где G- секундн ы й р а сход р а бочего теда, кг/с; Ре- даnлен ие га зов на срезе сопда , Н/м 2 ; Ро- д а влен и е окружа ющей среды, Н/.м�; Wc­ скорость г а з а н а ср езе соп л а , м/с; Fc - площадь среза сопла, м:2. При ра боте двигатедя в косми ческих услови я х дав.1ен ие окружа­ ющей среды составл яет 1 0-2 ... 1 0-3 Н/м 2 , поэтому м ожно п р и ближен­ но сч итать, что р0=0. Тогда выр ажен и е ( 1 . 1 ) п р и мет вид ( 1.2)

9

Таблица 1.2

Хара ктерис ти ка некоторых ста б ильн ых топлив п ри Рк!Рс =70/1 и оптимадьно м соотношен ии компонентов [4 j

Окис.1иtе.1r)

':"

f 0\-ЮЧее tl

НN03+окнсл ы азота НNО3+окислы азота НNОз+окнслы азота N204 N204 90 % - н ы й Н2О2

Керосин Смесь а м инов ндмг НДМГ

50 %

НДМГ+ +50 % N2H4

Керосин

� ,_

"'

"' .... .. 5

1

,_

'"'"' ,_

о -

.

...... м -=

�:.. ..:l.. �

0 , 9 4 , 76 1 ,36 0 ,9 4,16 1 , 35

0 , 9 3,0 1

::.:

"' !-

3 1 7J

3 1 73

1 , 27

3 1 65

0 , 9 7 , 17 1 , 2 7

2 773

1 ,0 3 , 06 1,18 �413 1 , 0 2 , 25 1 , 20 f.-. 3333

::.:

" !-

� :r: �

=;: .......

�:r:

>;':'

�

�

185-l

1,157 258)

1771

1 , 1 69 2678

2904

1 , 1 77 2590

2806

18-!8 1,158

2245

2098

1П:J

�8)6

28 06

2580

1,132 2776 1,143 281 5

3021 3061

'

Удельн ая тяга- это тяга , отнесенн а я к секундному расходу р а­ бочего тел а , Pyц=R/G. Введя понятие эффективной скорости исте­ чения газа из сопл а Шз=Wc+Pfc/G, можно представить удельную тягу н а л юбом режиме следующим ур авнен ием : руд=Wэ·

Удел ьная тяга является одни м из важней ших п а р а м етров р а ­ кетного двигателя, поскольку этот п а р а м етр ха р а кт('разует его э ко­ ном и чность, т. е . степень соверш енства р а бочего процесс а и энерге­ тику прим еняемого топлива. Дл я современ н ы х р а т<етных двигате­ лей Руц=250 .. .450 еди ниц. В табл. 1 .2 приведены х а р а ктеристики н екоторых с та 5 и ль н ы х топл ив, а в т абл. 1 .3 некото р ы х топлив н а основе жидкого кисло­ рода.

Пол н ы й им пульс сил ы тяги определяется интегралом от тяги, взятым по п олному времени р а боты двига т еля "

l�=s Nflt. о

т- в р ем я работы, с. Величина полн ого имп ульс а о п р еделя ется теюшчес ким н а з н а­ ченнем лет а тельного аппар а т а п яв.'!я ется одн и м из важ н ейш и х параметро в, хара кте р и з ующих дви гатель, так к а к от величины пол­ ного импу.1т,са зависит выбор типа снетемы п о д а ч и топлива . Важн о й хар актеристикой к а ч ества двигател ьной устаноЕки яв­ ляется уделт,н<Jя масса двигател я - это м а сса двиrнтеая в рабочем

где R --т я г а двигателя;

состоян ии, 10

отнесенная

I<

р азвиваем ой пм тяге gцв= Gдn/R.

Таблut{а 1.3

Характеристики некоторых топлив на основе жидкого кислорода О2'" при РкiРс 70/1 и оптимальном соотношении компонентов [ 4] =

Горючее

Эти.1овыii

95%

Керосин НЩ\1Г (Nllз) ш (Н2) ж

слпрт

... ...

:< ,_ :<

"

'? ... J( :.:::

0 ,9

1,78

0,8

2,70 1 , 92 1 ,41

0,9 1 ,0 0 ,7

5,56

"'

-

lc �� �

::l.:I:

2306

1 , 124

2828

3080

2.J.82 2.J. 87 17 1 0 1 888

1,129 1,124 1 , 170 1, 1 7-!

2923 3012 28 8 4 3 787

0 , 99

и .....

3.J.II

1 , 02 0,99 0 , 89 U , 35

3690 362-! 3065

"' .....

:3422

: ... �� >-·

<:

:.::

� ... а.. :.:::

...

.."''"' .::_ >- · ::l.:I::

:.::

318 8 3286 3:227 4081

Для р а кетны х двигателей п ервой ступени м асса относится к тя­ ге на Земле, а дл я оста.1ьных - к тяг2 в пустоте. Удельная м а сса двигателя х а р а ктер изует степень совер шенства двигателя . Удел ь­ н ая м асса двиг ателя р а кеты V-2 составля.'lа gдв=0,037, а совре­ м е н н ы х р а кетных дв и г ателей Н- 1 или F-1 и м еет gдв=0,01 ... 0,0 1 4, т. е . в 3 . . . 3,5 р а з а меньше. В н астоя щее в р е м я не котор ые дв и г а ­ т е л и и м еют gдв=0,008, т. е . н а кажд ы й килогр ам м тяги п р и ходится всего л и ш ь 8 гр а м м ов конструкции двигателя [25]. Современные р а кетн ы е двигател и р азнообр азны по свои м ха­ ра ктеристикам . В ел и ч и н а тяги позволяет. судить о м асштабах р а­ кетн ых двигателе й ( м ассе и габаритах). Р а кетн ы е двигатели, п р едн азначенн ы е для у п р авлен и я движени­ е м косм и ческого а п п а р ата н а траектории и , в ч а стности, его о р иен­ тации и стабилизации , кор рекции скорости полета и траектории , п роведения м а невров по сты ковке с други м и а п п аратам и , и м е ют ТЯГИ ОТ 1 ДО 1000 Н. Тяга м арШевых ( основ н ы х) двигателей р а кет-носиЕлей дости­ гает бол ьших зна ч е ни й . Н а пример, д в и г а те л ь F- 1 и м еет тя гу R=6,67 МН. Существуют дви г ате.1 и с тя га м и R=26,5 МН и д а ж е 137,3 МН. Т я г а д в п г ате.1 ьной уста новки первой ступ ени р а кеты « С а тур н-5» 33,4 МН [38]. ·

Гл а в а

2

О С Н О В Н Ы Е С В ЕД Е Н ИЯ О П Н Е ВМ О Г И Д Р А ВЛ ИЧЕСК И Х С И СТ ЕМ АХ

2.1. СИСТЕМЬI ПИТАНИЯ. НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ПИТАНИЯ

И ОСН ОВНЬIЕ ТРЕБ ОВАНИЯ К НИМ

К систем а м питания относятся топливные систем ы, си стемы н ад­ дува , пневмосистем ы и систем ы р егулиров а н и я соотношен ия р а схо­ дов ком понентов топл и в а . Д а н н ы е систем ы служат для питан и я Ж РД ком понент а м и топлива и р егулирования р а схода компонен­ тов, т. с . для улучшения м а ссовых и баллистических хара кт�р исти к р а кеты. Топливные систе м ы служат для р а з м ещения н а раi{ете зада н но­ го запаса топл ива и его подвода от б а ков к н асосам под н еобходи­ м ы м давлением и в нужном кол ичестве, а т а кже для зап р авки б а ­ ков и с л и в а из н и х ком понентов топлива . О н и состоят из двух а вто­ номных систем : системы горючего и систем ы окислнте.пя. Конструк­ ция топливных систем з а в исит от устройств а р а кеты, устро йства двигателей, сост а в а топлива и других ф а кторов . Топливные систем ы - совокупность ем костей, т р уб о про в о д ов и а грегатов а втом атики ( кл а п а нов, р егуляторо в ) . Для обеспечения з адан ного р еж и м а р а боты двигатс.'!Ьной уста­ новки использу ются р азличные регулятор ы . Осн овными и з ЕИХ яв­ ляются : р егулятор изменения тяги ( ил и да влени я в кам ере сго­ р а н и я ) по заданному режиму полета и р егу.1ятор (с та б и л и з а то р ) соотн ошения ком понентов то п л и в а . Система н а ддува предн а з н а чен а для поддержа ння тр ебуемого давления в с вобод н о м объе м е то п л и вных б а ков («газово й rюдуш­ I\е»). В состав систем ы н адду ва обычно входят: истО'IНl'К наддув а , ж и кл е ры, кл а п а н ы, т ру б о п р о в оды, ра зры вн ы е 1\'iембраны , н а с а д о к д л я ввода г а з а в б а к и т. д. Исто ч н и к н аддува - для хрансння ил и в ы р а ботки газов н аддува . Жиклер или др у гое рсгулир) ющЕе уст­ р ойство обеспечивает зад а н ный р а сход г а з а н а;щува. К.•ш;I:;н п ро ­ пускает газы н а ддува в б а к ИJШ п р е к р а щ а с т нх ноступ.1енпс в б а к п о ком а нда м от системы управления. Э л ем е нт ы снсгоrы J J :l д д ув а соедпняются трубопроводами. На ракете используются снс1ем ы п р едста р тового и осно в н ого н аддува топливных бакон. Предст[;рто­ в ы й н аддув то п т1вных баков_ п роизводится перед запус/\о.•д .•nига­ те.lей, а основной - во врем я полета . Пневмоснстема Яil.'Iя ется nспо­ мога тел ьной снетемой и пр е д н а з н а ч е н а для обслужиnа,rия топ.'IIШ­ н ы х систем 11 с и с т е м наддува. Пневмо гидрос и стемы применяются д ля р ешения следующих задач. 12

1 . Н а пол н е н и я а к кумул яторов давления газом и поддержа ния зад а н н ого давления до м о м ента старт а . 2. Пр едстартового наддува топл ивных б а ков. 3 . Упр авления р а бото й пневмоавто м а т и к и . 4 . Контроля д а в л е н и я в б а к а х п р и п р едста рт�:>В ОМ п основном н аддуве. 5. Продувки некоторых устрой ств р а кеты. В состав п н евмосистем ы входят: е м кости для сжатого газа , си­ сте м а трубопр оводов для под а ч и газов к потреб ителям, регул и ру­ ющие устройства ( р едуктор ы и л и дроссел и ) , р аспредел ительные устройств а , перскр ывающие путь газу или н а п р а в.пяющи е его дви­ жен ие в определенном н а п р авлен и и, контролирующие устрой ства. ( р ел е давлен и я и др . ) , вспомогательные устр ойства (фильтры и др . ) . Пневмосисте м а состоит и з отдельных м агистр а.пей, каждая из которых вы полняет определен ную задачу. В з а в исим ости от вели­ чины давления м а гистр а л и делятся: 1. Н а м а гистр а л и высокого давления, кото р ы е используются для за по.'Jне н и я а к кумуляторов давления и предстартового надаува б а­ ков, давление в м агистр алях 14 . . . 30 МПа. 2. Н а м агистр али упр авл яющего давления, которые пр именяют­ ся для у п р а вления р а ботой пневмоавтом атики, давление в магист­ ралях 3,0 М П а . 3. Н а м агистр али низ кого давления, кото р ы е прим еняются для контроля давлен ия в б а ках и продув ки м а гистр али, давлениЕ: в м а­ гистралях 0,2 . . . 0,3 МПа . Для уменьшения м ассы пневмосисте м ы н еобходи мо: 1) сокра щать ч исло· задач, решаемых пневмосистем ой, т. е. уменьшать ее р азветвлен ност ь ; 2) использовать н а зем н ы е ем кости, а т а кже р егул и рующие, р аспределительные и контролирующие эле­ м енты на н аземных устройствах. С этой целью в п редпусковой пе­ р иод к р а кете м ожет подсоединяться стартов ы й пн е вмощиток, яв­ ляющийся ч астью пневмосистем ы р а кеты, п р едн азначенный д..т:ш об­ служи вания предпус кового период а . В н ебортовые систе м ы до старта соединены с бортовыми герм е­ тич н ыми соединен и я м и , которые п р и старте р асст ы ковываются .'Jи­ б о соответствующи м обр азом р азделяются . К пневмосисте м а м п р едъявляются следующи е требов а ни я . 1. М а л а я м а сса . 2. Простота конструкции пневм осистгмы. 3. Мал ы е гидр а вл ические сопротивления . 4 . Обеспечение нормально! о фун к­ цио н и р о в а н и я обс.1ужи в а е м ы х а грегатов в течение задnниого в р е­ мен и . 5. Высокая герметичность. Пр и негерм е т и чности пнtв:,�,юси­ стем ы м огут н е с р а ботать агр егаты а втом атики. Нор м а льное функционирование пневмосистем ы оцсн и в а е1ся сле­ дующим и показ ателям и : временем , необходим ы м для достижения заданного да в:тения у потребителя (давле н и я, н еобходим ого для с р а б атыв а н ии агрегатов пнев м о автом атики, давления п р едва рительного наддува в баках и т. д . ) ; потр е б н ы м р асходом газа п р и предстартовом наддуве и при 13

р азл и ч н ы х продувках м а гистр алей ; безынер цион ным к�нтролем давления в а к кумулятор а х д а вления , топливн ы х б а ках и т. д. В соста в систем пита ния входят р а зличн ы е по н азначенюu и уст­ рой ству а гр егаты автом атики, обеспечивающие р а боту п нею.югид­ р авл ической систем ы в заданной последоватедьност и . Агрегаты ав­ тоl\lатики служат для а втом атического откр ытия и з а крытия р аз­ личных м агистр алей по ком а нд а м , посту п а ющн�r с пу.п ьтов наземного оборудов а н и я (в пр едпусковой пер иод) пли от си сте:vtы упр аВJlения ( в полете ) . Агрегаты а втом атики р а зделяются н а за­ п р а вочно-сливные клапаны, дренажно- п р едохр а н ительн ые, раздел и­ тел ьные кл а п а н ы, обр атн ые кл а п а н ы , вентили сшr в а , эJtеюропнев­ мок.тi а п аны, з а пор н ы е вентили и реле давления. Реле давлен и я (сигнализ атор ы давлен и я ) , контролирующие величину давления г а з а в б а к а х и б аллон ах, выдают соответствующие сигн а.ТJы в др у ­ гие систе м ы р а кеты : дренажно- предохр а ните,ТJЬные к�1апаны, пред­ н а з н а ч е н н ы е для стр авливания излишнего г а з а из бако в ; электр о-. пневмо- и пирокл а п а н ы , обеспеч и в а ющие подачу или п р е кращен ие подачи г а з а или топлива п р и воздействии н а н и х соотвrтствующего электр ического сигнала, и р яд других элем ентов. Для обеспечения нор м альной р а боты пневмогид р а влической си стем ы агр егаты авто­ м атики должн ы иметь в ысокую н адежность и точность риботы в р азличных условиях э ксплуатации р а кеты. Н аз н а че н и е и основн ые требов ан и я к агрегата м с и стем п и тания

Узлы и агр егаты систе м ы п итания должны обеспечить: з а п р авку и слив компонентов топл и в а ; х р а нен и е Iюмпонентов в топливных баках; за пуск, быстрый выход на ре:жн:\1 нормальной р а боты двигателя ( газогенерато р а ) и т. п . ; м и н имальн ы й раз брос х а р а ктер исти к ; изменение режим а р а боты по заданному з а кону; прекр ащение р а боты в определенный момент времени. Отказ в р а боте элем ентов систем ы питания ( несрабатьшанпе электроп невмокл а п а н а , р аз р ы в б аллонов со сжатым газом и др .) п р и водит к н а рушени ю функционирования систем ы и к аварии при пуске и л и полете р а кеты . Кр оме того, даже п р и норма.1 ьном ф унк­ цион ировании всех элем ентов систем а может н е о беспечить безот­ казный пуск или полет р а кеты . Это может иметь м есто п р и в ыходе п а р а м етров систе м ы питания р а кеты за допустим ы е п р еделы вслед­ ствие неблагапр иятного сочетания допусков н а пр оходные сече н и я питающих т р а ктов систе м ы , н еучете з а конов р аспредеJiенпя р яда исходных п а р а м етров, влияющих н а выходны е п а р аметры системы пита н и я . В связи с этим н адежность системы питания хар а ктеризу­ ется дву м я показ ател я м и : н адежностью обеспечения п а р а м етров системы в заданных п р е ­ дел а х ; н адежностью функционирова ния системы. Общим и требованиями ко в сем узл ам и агр е гатам, входящим в состав систем ы подачи топлива, являют ся следующи е : - обес- п ечение норм ального функциониро вания установок (аг_

14

р ег атов ) в процесс� обслуж и в а н и я н а земле и в полете; требуем ы й ресурс р а боты ; дост а точная прочность и стой кость к ви б р а циям п р и м алой м а ссе; н адежность р а боты в широком диап азоне темпе р а тур окружа ющей среды при колебаниях внешн его давлен и я, при н али­ чии перегрузок; безоп асность и удобство в э ксплуатации ; способ­ ность к дл ител ьному хр анен и ю (стабил ьность х а р а ктер исtик после длительного х р а н ен и я ) в складских и полевых услови ях; м а лые гидр а вл ические сопротивл ения ; м и н и м альные г а б а р иты, масса и потребляем ая мощность; высокая н адежность ; необход и м а я гер м е­ тичность подвижн ых и неподвижных соединений агр егатов ; nросто­ -та конструкции, сбор ки, р азм ещения и креплен и я на борту ра кеты ; м и н и м альная стоимость изготовления и э ксплуатации; рем онто п р и­ годность восста н а вл и в а е м ы х систем. Из перечислен н ы х требова н и й основным ко всем узл а м и агр е­ 'Гатам систем питания р а кет и косм ических летательных а п п а р атов является требование н адежности и м алой м ассы. П од н адежностью а гр егатов пон и м а ется их свойство выполнять все функции в задан н ы х условиях эксплуатации ( р а бочие тем пера­ -тур ы , давление, воз м ожные атмосферные воздействия, перегрузки, виб р ации и т. д . ) . Требование н адежности подчиняет себе все дру­ гие ф а кторы, ха р а ктер изующие кон струкцию: м а ссу, технологич­ ность, экономичность, прочность и т. д. Н адежность р а боты агрега­ -та определяется его принципиальной схемой и з а кладывае1ся на эта пе проектирования ( схем ная н адежность) . Необходимо стре­ миться к сокр ащению количества деталей, особенно движущихся, что дает возможность уменьшить вероятность заедания, з а кл и н и­ ва ния, появлен ия н адиров и других дефектов. Удов"1етворение пе­ речисленных требований достигается конструктивной схемой агре­ гатов, тщательной э ксперим ентальной и х отр а боткой, а также тех­ нологией изготовдения и ком плексом испыта н и й . Под точностью р а боты агрегата поним ается допуск на величину опр еделяющего п а ­ р а м етр а . Так, есл и для дан ного агрегата о пр еделяющим является давление срабатыван ия, то задается допуск на величину давления; есл и время ср а батыв а н и я - то допуск н а время и т. д. Точнuсть р а ­ б о т ы задается н а основе р а счетов и а н ализа систем ы, в состав ко­ -торой входит а грегат. Потр ебление м а л ы х м ощностей позволяет ум еньшить м ассу и сточн и ков питания. Состав и тип конструкции узлов и а грегатов опр едеJrяются п р и п роекти р о в а н и и р а кеты в з а ви симости о т коли честв а и типа обслу­ жив а е м ы х а грегатов, условий и хар а ктер а р а боты их в полете, ус­ лов ий н а зем ного обслужи в а н и я и т. д. О снов н ы е парам етр ы с истем п и т ани я

Систем а питания ха р а ктеризуется р ядом п а р а м е1ров, основны­ ми и з кото р ы х являются давление н а входе в двигатели; тем пера­ -тур а ком понентов топлива н а входе в двигатели ; р а сход ком понен­ тов топл ива ; р а бочие з а п а с ы компонентов топл и в а ; неиспользуемые остатки ком понентов топлив а ; гидр авлические потери в систе м а х 15

питан ия; вел ич и н ы свободн ых газов ых объем о в ; м асса су хой систе­ м ы пита н и я . С истем ы подачи т оп л и ва в д ви гат ел ь

Одной из систем, хар а ктер изующих двигател ьную установку в целом,.яв.lЯЕ'тся систем а подачи топли в а . Под системой подачи топл ива пон и м а ют совокуп ность систе:о.r, узJюв, агрег атов и элементов а вто м атики, обеспеч и в а ющих подачу гор ючего и окисл ителя из топл ивных б а ков в камеру сгоран и я р а ­ кетного двигател я . С истем а подачи топлива р а кетного двигателя должна обеспечить запуск двигателя, последовател ьную под а чу из б а ко в ком понентов топлива в камеру сгор ания во время работы и слив ком понентов топл ива в случае необходимости . Основным элементом систем ы под а ч и топл ива является агрегат. созда ющий н еобходимое давление компонентов топл и в а . В двигател ьных установках с р а кетн ыми двигател я м и пр и м еня­ ются две основные систем ы подачи ком понентов топлива в камеру сгор а н и я: вытеснительна я и турбон асосная. П р и вытеснительной систем е подачи топливо из б а ков в кам еру сгор ания поступает под действием газов высокого давления , п р и­ чем давление в топливных б а к а х выше давления в камере сгор а­ ния. Регулирование тяги двигателя пр и вытеснительной системе подачи топл и в а производится л и бо по давлени ю в камере сго р а н и я р а кетного двигателя, л и б о п о давлению в топливных б а к а х . В тур бонасосных систем а х подачи топливо в камеру сгорания подается н а соса м и двигателя. Особен ностью жидкостных на сосов явл яется то, что для н аде;жной и х р а боты необходим о, чтобы н а пор поступающей в н и х жидкости ·был не ниже некоторой определен­ ной величины, при которой начинаются кавитационные яв.i!ен и я в насосе. Гидр остатического н а п о р а , соответствующего высоте столб а жидкости о т верхнего его уровня в б а ке д о входа в насос, оказыва­ ется, как пр авило, н едостаточно для бескавитационной р аботы н а ­ сос а . Поэтом у и в случае н а сосной систем ы подачи пр иходится со­ зда в ать в б а ках р а кет повышенное давление газов, т. е. произво­ дить так называем ы й противокавитационн ы й наддув тош1ивных б а ­ ков . Кроме противокавитационного н аддува перед началом р а б оты двигательной установки пр оизводят еще так н азыв аемый пр едв а р и ­ тел ьный н аддув б а ков с целью создания давления пощшаемы х ком понентов, необходимого д л я обеспечения нормального запуска двигательной уста новки и п р едотвр ащен и я пров а л а да вления в ба­ ках, возможного в случае з а п аздывания в ключения системы проти­ вокавитацион ного н аддув а . Н а р и с. 2.1 показа н ы п р и н ц и п и а л ь н а я схем а систем ы подачи топлива и основны е элем енты систем ы подач и , обеспечив ающие ее норм альную р а боту. В зависи мости от назначещ1я двигательной установки может от­ п асть. необходи м ость в некоторых системах и л и агрегатах и м о гут б ыть п_ри:\{еНеjlЫ ::�:ругне способы обеспечения р а боты того и.1 и и но16

Рис. 2.1. Принципиальиая дачи топлива ракеты:

схема систе м ы по·

1, 24- датчики уровня СОБ; 2- бак горюче­ го; 3- пороховоii га.югснсратор; 4, 6, m, 15обратные клапаны; 5, 11, 14- э.тсктроnнсв,ю· клапаны; 7, 13, 16- дренажные клапаны: 8, 20- наетросчныс шаiiбы; 9, 28, 29- "с"· бранные узды; 12- во.Jдушный акку"у.тятор дав.тсния; 17, 25- рс.тс дав.тсния; 18- жид­ костный rазоrе11сратор; /9- отсечные пира· I<;1ana11ы; 21, 26- бак �ровня; 22- бак окис­ лителя; 23- nнсююклаnан; 27, 30- запра­ кдаnаны: 31- воздушный вочно-еливвые фильтр

Е

го агрегата, одн ако в т урбон асос­ ной системе подачи топлива всег­ да должн ы быть п р едусм отр енЬI сл едующие систем ы: п р едв а р ительного и основного н аддува; обеспечения задан ного р ежима р а боты ; за пуска и отклю­ ч е ни я . Кроме того, в некотор ых слу­ ч аях необходимо п р едусм атри· Jf в ать допол н ительные систе м ы . . В д9игательную уста новку Z!J 2& входят р азлич• н ые дроссельные устройств а , н астроеч ные (дросселын ые) ш а й б ы , отсечные и пусковые кл а п а н ы . В топл ивных б а ках устанавливаются з а борные и в нутриба ко· вые устройств а , обеспечивающие м а ксим альную выработку ко:\ШО­ нентов топлива , допустимый пр огрев верхних слоев от гор яч их га� зов наддув а . С истем а п р едварите.'!ьного и основного н аддува в ключ ает в себя под' в одящие трубопроводы , агрегаты н аддува и р азли ч н ые элементы автом ати ки , обеспечив ающие поддержание п а р аметр ов н аддува в требуем ом ди а п азоне. На приведеиной схе м е п р едва р ите.ТJЬный наддув б а к а гор ючего 2 и б а к а окисл ителя 22 обеспеч ивается газом через воздушный фильтр 31 из наземных ем костей при ср абатыва н и и электропневмокл а п а7 нов 5, 14 и заканчивается после подачи сигн алов к электропневмо· кл а п а н а м от ре.1 е дав.1ення 17, 25. Основной нг.ддув топли вного бака окисл ител я осуществляется н а п р иведеиной схеме жидкостным г азогенер атором 18, отбор топдива на газогенер атор п р оизводится з а н асос а м и окисл ителя и гор ючего. Величина р асхода ком понентов топл ива н а наддув бака окислителя уста навли вается н а строечны­ ми шайбами 20. Откл ючение газогенер атор а производится отсечны­ м и пирок.л а п а н ами 19. Основной н аддув б а к а горючего 2 осущест­ вляется продуктами сго р а н и я порохового газогене rjтора � :- r Датчики измерения уровней компон ентов топли !Аt � б а1<'а х 't, 24 о беспечивают заданное соотношение ком понентов то� ll f <М&вц>а..в-=... . ·

2

р е а к т JшtюА схе м а Функц1юнальная 2.2. кораб.1я t:осмическоrо } П;JЗВJIС'ю:я «AnnЛ ..10H�>: 1- Ga�1.10II с rc .."'IIC:\t: 2- за правочныii к.'Janшt: 4- nрсдохранитс ..1ьный .1- :tатчик дuiМl'НИЯ, 6- бЛОI{ рсrу.пя­ 1\.'ШП'-11-1, 5- ЭЛl'КТрО!\.'IЗЛС:IН; ТОрОВ даВ.ll'IШЯ, 7- б.пок обратных клапа нов; 8 - прсдохраннтс.'Iьныс клапа ны; 9- баки rо­

Pflc.

системы

рюч�го. 10- бс.нш Оl\itс.lителя; 11- з а пра воч­ но-с.lнвныс к.чапаны: 12- тоnливные клапа ны; 15да вления; Н- датчшш 1.1- фн.1t.тры. ко.1.1ектор горючего. 16- ко.'1.1ектор окис.1итс­ ..1я. /7- ДВИГСlТС,lЬ

ка и сл ив ко м понентов из ба ков пр оизводится через з а п р а вочно ­ с ливные кл а п а н ы 27, 30 и конт• ро.'lь заправки ведется по датчи• кам уровня 21, 2б и ндукционного типа , котор ые подают сиг н ал Q прекращен и и з а п р а вки п р и дости· жен ии заданного уровня топли ва в б а ке. Пневмокл а п ан 23 перекр ы в а· ет сл и вной трубопровод б а ка окисл ител я 22, посл е чего проис· ходит выра ботка оставшегася в трубопроводе окислителя . Наддув трубопровода осуществляетс я газом из баллона в ы сокого давления 12 путем включения электро п невмокл а п а н а 11 и прор ыва мембр а­ ны 9. Расход газа н а н аддув регули руется н астроечной ш а й бой 8. Дренажно- п р едохр анительные клапа н ы 7, 1б открываются в пе­ риод з а п р а вки ком п онентов топлива, а также в сл учаях а в а р и й ного откл ючения двигател я . Автом атическое срабатывание дренажно­ предохран ительного кл а п а н а происходит п р и повышен и и л.авлсния в баках сверх н а строечной вел и ч и н ы . Н а рис . 2. 2 приведена функциональн а я схем а реактивн ой систе­ мы у п р а вления косм ического кор а бля «Аполлон». То пливо из ба­ ков 9, 10 в кам еру сгор а н и я двигател я 17 подается с помощью ге­ лия, кото р ы й хр анится в сферическом баллоне 1 нз титанового сп.'lа в а . Гел и й через отсеч ные двухпоз ицион н ы е э.r1ектроклапаны 5 подается к четырем р егул ято р а м давления б, о бъединенных для надежности в дв а блока по п оследов а тельно-п а р а�лельн о й схем е. Такое соединение элементов а втом атики обеспечивает - надежное функuионирование систем ы н аддува топливных баков даже n слу­ чае выхода из строя ка кого-либо регулятор а . Н а п р и мер, когда один из р егуляторов не открыт, н а ч и н ает р а ботать регулятор в п а р ал­ .11ельном блоке. Из регул яторов да вления б гелий поступает !:! б.rюкп обратных клапанов 7, та кже соединенных по послсдовательно-па­ раллельной схеме. Предохра нительные кла п а н ы 8 предотвраща ют ав а р и й ное п овышение давления в топливных б аках 9, 10. К упр ав­ ля ющим двигателям 17 топливо поступа ет через отсечные двухпоз и­ ционные электрокда п а н ы 12. Гел иевый балдон 1 снабжен з:Iп р а воч18

ным кл а п аном 2, п р едохр а н ителыiЫ м клапа н о м 4 и датчиком дав­ .'lеi-IИЯ 3. Н а м а гистр алях топл ивных баков 9 и 10 ус1а новлены за­ п р а вочно-сливные к.т�а п а н ы 11, ф и.т�ьт р ы 18, датч ики дав.т�ениii 14 и колдектор ы 15 и 16. Из рнс. 2.1 п р и с . 2.2 вид но, что жидкостн ые р а кеты и КЛА II).Ie­ ют бо.т�ьшое кою1 чество агр егатов а втоматики, р азлпчных по н азна­ чению, конструкции и п р и нцилу действия. Кон кретн ые схемы систем подачи з а в исят от особенностеi! кон­ струкци и р а кеты, устр ойств а двигателей, типа топл и в а и других ф а кторов. Одн ако, .1 юбая си стема подачи состоит из емкостей, тру­ бопроводов и агрегатов автоматики (кл а панов, р егу.1яторов), регу­ Юiрующпх подачу топлива , т. е. систем ы подачи р акет м ало отл и­ ч а ются от п невмогидр авлических систем , п р именяем ых в машина­ строен и и . О с новн ые тре бов ан и я , предъявл яе м ые к с и стем ам п итани я l. Малая .fttacca. Масса пневмогидр авлической систем ы (ПГС) скл адывается из м ассы конструкции всех систем ( подсистем), вхо­ дящих в ее состав. Матер и а л ы для изготовления уз.1ов и агр ега­ тов должны иметь высокие м еханические свойства , м алую массо­ вую п.rютность и состоять по возможности из недефицитных м ате­ р и адов, а та кже соответствовать действующим стандартам и нор­ м а л ям. 2. Пр остата конструкц ии. Пневмогидр а в.т�ические системы долж­ н ы выполняться по н а и более простой схеме, включ а ю щей м и н и­ м а.'!ьное кол ичество элементов; быть технологичн ы м и в изготовле­ н и и п р и исп ытани и н а гер метич ность, функциониров а ние- и ·r. п . 3. Безопасность и удобство эксплуатации. Для безоп асности экс­ п.'lуата ции н еобходимо п р и м ен ять элементы , н е требующие под­ н астройки в п р оцессе хранения и перед пуском ; коли ч ество разъеи­ н ых соединен и й и кол ичество опер аций контроля з а состоянием ПГС во время х р а нения и эксплуатации должно быть минима.'1Ь­ ным. Сокр атить м и н и м а .ТJыю в р е м я п р едстартовых опер аци й ; исклю­ чить случ а й н ы й конта кт компонентов друг с другом ; ум еньшить ко­ личество связей с внебортовым систем а м и и исключить возмож­ ностr, н е п р а вильного подключения к ним в п р оцессе выпо.1нения технологических опер а ци й ( н а за воде-изготовителе и п р и ':>ксплуа­ тации ) ; применять автом атические и диста нционн ы е проверки различ­ н ых подсистем н а за воде- изготовителе и во время эксплуатации; блокировки систе м , исключ а ющие возможность самопроизволь­ ного за пуска дв игатедей в процессе эксплуатаци и ; внедр ить а втом атиз ацию упр авления в процессе подготовки и старта .

4. Достаточная прочность и стойкость к вибрациям при. мин и­ .fttально й стоимости и оптимальной массе системы. 19

5. Низкая стоимость изготовления и эк сплуа тации. С т о имост ь n невм о гидравп ической систем ы складывается из с то п м о ст н с а м о й систе м ы н а борту р а кеты 11 стои м ости обслужи в а н а я . Стешмасть систем ы зав и сит от затрат н а р азра ботку и изготовление.

б. Узл ы и агрегат ы пневмогидравл и ч еской систелt ьt должны об­ лада ть необходимой коррозионной стойкостью и не вызывап· изме­ нен ия хим и ческого состава КОJ.tпонентов топл ива. 7. В процессе работ ы системы не должно быть вибрации тр убо­ проводов и г идроударов. 8. Минимально возможные гидравли ческие сопр о тивления при оптил1.ал ьной массе сис тем ы . 9 . Минимал ьное вреJ.-tя проектирования и отработки. 1 0. В ы сокая гермети чность пневмогидравл ической систем ы в проц ессе хранен ия и эксплуатации. Гер м е ти чност ь является важней­

шим требов а н и ем . Известно, что некотор ы е жидкие топлива обла­ дают взр ывоопасностью, токсичностью, способностью воспл а м ен е­ ния п р и смешении и т. д. Поэтому при проектирова н и и систем большое внимание уделяется в ы бору типа соединений трубопрово­ дов и агрегатов а втом атики, а также м атер иалов для эле:-.f ентов систем . 11. Постоянная готовность к пуску в интервале теJ.mератур, з а ­ даваем ым по техническим требованиям к ракете.

К пневмогидр авлическим систе м а м в за висимости от назна чения р а кеты-носителя могут п редъя вляться специальные требов ания: р езер виров а н и е н а и более ответственных узлов и агрегатов П l "С р а кет- носителей и косм ических а п п а р атов ; возможность м ногокр ат­ ного включения двигателей и обеспечение р а боты П ГС к о с м иче­ ского а п п а р ата в условиях невесомости и знакопеременных н агру­ зок. О бл асти п р и менен и я с и ст е м подачи топл и в а

Пр и просктировании летательного а п п а р ата в ы бо р с и стем ы по­ дачи топл и в а о п р еде.'!я ется: н а з н ачением двигатепя , топ л ивом , тя­ гой , х а р а ктером поJiета летательного а п парата, n родолжител ь­ ностью р а боты л в 1 1 г а т с п я , а т а кже общи м и требовани ям и - пр осто­ той констру кции , м и н и м ально й м а ссой , удобством в э ксплуатации и т. п . В к а ч естве о б щ и х критериев при выборе ти n а систем ы подач и то пл п в а можно реком ендовать : состоя н пе р а з р а ботки и степень отра ботанност и ; стоимость р аз­ р а ботки и изготовлен и я ; во з м ож н ость сер и й н ого п з готовле н п я и н а ­ личие с ы р ьевой б а з ы ; надежность; м п н и м а л ь н у ю п о .1 н у ю м а ссу. Пр и турбон асо с н о й с н е т е м е n одачи то п.1 и в н ы е б а ки н а ходятс я под давлением н аддув а , I<ото рое в ы б и р а ется 1 1 з условия о б ес п е ч ен и я устойчп вости б а ков и бес i·.:а витащюнной р а боты н а сосов. П r и тур ­ бона сосной снетеме под ачи топ л и в н ы е баки бол ь ш и х объе мов и м е ют с р а в н ител ьно небо.1 ь ш у ю м а ссу. М асса тур бон асос ной си­ стемы подачи п р а ктпчески не з ав псит от п р одолж нтедьнос rи р або -

20

..

Р н с . 2 . 3 . О б .': а с т и n tн: м N н'· t ш я те с н •пе.llьн ы х. с и с т е м п о д а ч и : ;1 - r н ! I {: C ! I II Т C JI Ь I Ш Я п од а ч а ; TI!A

н а с осн ы х

и

В - пода ч а

вы­

с

50

40

�

'/ � '( " '�

в

�[r _ttJ1 '-�i ii{'l"�� i l �v ttHHЦ-'_,. nг f�

т ы двн гательной уст а но в к и . По­ это:-.-I у т у р б он а с о сные систем ы 30 п р н м еняют в д в и гател ь н ы х у с т а - 20 н овках с в ы сокой тягой и боль- ю � шой продолжительностью р а б оты, t2� JJJ ' - 1;v т а к к а к в этом случае м а сса их о z.·, 9ю 9,tJ! /,:1, 62 4.'J, 05 98, 1 1?, /(Н , м еньше других систе м . Недост а­ то к тур бонасосных систем состоит в относительно й сложности ТНА, что п р и водит к снижению на­ дежности и повышен ию стоимос ти двигательной уста н овки . Вытеснител ьные систем ы подачи топл ива значител r-. но проще тур бон асосн ых. Основной недостаток з а ключается в том, что топ­ ливные б а ки н аходятся под большим давлением , чем давление в камере сгор ания двигателя . Вследствие этого р а стет толщи н а сте­ нок б а ков и их м асса, что оказывает основное влияние на массу всей двигательной установки, ка к пр и увеличении времени р а боты ЖР Д, -та к и п р и увеличении давления п одач и . Поэтому вытеснител ьные с и стем ы подачи непригодн ы для двигателей с в ысокой тягой и зна­ ч ител ьной продолжительностью р а боты. В качестве критерия дл я определен ия типа систе м ы ПС>да Ч \1 1\-I ОЖ­ но использовать з н а чение им пульса силы тяги. Им пульс тяги учи­ т ы в ает одновременно и величину тяги и вр е м я р а б оты д в и га те л я . В з а в исим ости от вел и ч и н ы тяги и времени р а боты п р и м е н я ют /КР Д с вытеснител ьной или тур б о н а со с но й системой под:.� ч и топ:ш n а . Н а р и с . 2. 3 по к а з а н ы о б л а ст и р а ци о н а л ьного п р и м енеrшя тур­ бон асосной и вытеснительной газобаллон ной систем подачи х ол од ­ н ы м га зом в зависимости от тяги и продолжител ыюсти р а боты д в и ­ гателя [61 ] , т. е . п р и к а к ой тяге и продолжител ьности р а бо т ы )I(РД п р н м ен е н и е т у р б о н а с осно й или в ыт е сн и т е л ь но й с и ст е м ы п о д а ч и т о п л и в а обеспеч и в а ется м и н и м а л ь н а я м ас с а всей дв игател ьно й у с­ т а н о в к и . И з -р исун ка видно, что в ытесн ител ьные с н етем ы пода ч и ·

·- -

топл и в а п р и м е н я ются п р и м а л ы х з н ачен и я х п р н бол ь ш и х з н а ч е н и я х J :Е ·

J :�: ,

тур б о н а сосв ы е ­

2 . 2 . П Н Е В М О Г И Д РЛ В Л И Ч Е С КА Я СХ Е М А Р А К ЕТ С Ж РД

П н ев м о г идр авлическая схем а р а ксты - совоку п ность г и д р а вл и ­ г а з о в ы х ем костей, к о м м ун и к а ц и й , а т а кже а г р е г а т о в а вто­ м а т шш с и ст е м п и т а н и я р а к еты 1 1 д в и г а телей . Эти у с т р о й с т в а по­ з во юi ют п р о из водить : з а п р а в ку топл и в н ы х б а ко в J<. о :�ню н е н т а м и т оп л и в а и в с.'lуч а е н е о б х од и м ос т и - и х с л и в ; з а ря д r\ у а к i<уыу.1 я то­ р ов д а в.)'] е н и я г а з а r.ш и и х ст р а в л е н и е ; х р а н е н и е к о м п о н ентов топ­ .1 н в а ; п р е дс т а р т о н ы l1 н а д д у в т о п .n п в н ы х б а ко в и наддув во в р емя п о л ет а ; н а д е жный з а п у с к д в и г а т ел е й и беспер сбойное и х п и т а н и е чески х и

во в р е м я полета ком понента м и то плива, а та кже выпол нять p e ry21

лираванне двигателей и вы ключ ать и х по ком андам от систем ы у п р а вления. Пнев:vюгидр авлическая c x e :vt a р а кеты дО.l )JШа: обеспечивать р асчетн ы е х а р а ктеристики, б ыть н адежной в р а ­ боте и простой в эксплуатаци и ; обеспечивать заданные з н а ч ения тяги и удел ьной тяги двигателя, т. е . производить зr, пуск и вы клю­ чение двигателей в заданной последовательности , сог.1 а со ванной с балл истичес ким и х а р а ктер исти кам и ; осуществлять р азделен ие сту­ пеней и отделение головной части по ком а нда:-1 от систt м ы управ­ .Тiения. Н адежность р а боты П Г С - безотказная р а бота ее э.lемf нтов во время п р едстартовой подготовки и полета р а кеты . В ы с окая н а деж­ ность обеспеч ивается технологией изготовления эл�ментов ПГС и сборки ее ч асте й . В процессе подготовки р а кеты к пуску нспыты­ ва ются элем енты П ГС на функционирование в ком плексе с систе­ мой управления . Н адежность р а боты П ГС определяется пр инци­ п и а л ьноi% схемой и з а кладывается еще н а этапе проеi\тиоования. Агрегаты автом атики, входящие в состав П ГС, должны четко взаимодействовать м ежду собой и с системой упр авления в о п р е­ дел енной последовательности, обеспечивая нор м альный з а пуск и в ы ключение двигателей и полет р а кеты по зада нной прогр а м м е . Т а к , н а п р имер, д л я двухступенчатых р а кет с п оследов ательным р а сположением ступеней, х а р а ктерными эта п а м и р а боты П Г С яв­ ляются. 1 . Подготовительные опер ации: з а п р авка р а кеты ком понент а м и топлива ; з а п р авка сжаты м и газами бортовы х баллоноп и др. 2. П р едстартовый наддув топливных ба ков, т. е. н аддун б а ков дл я подготов ки двигателей первой ступени к н адежн оl\IУ запуску. 3. З а пуск двигателей пер вой ступени и в ыход и х н а р ежим с по­ следующим п одъемом р а кеты от пускового устройства П ГС п роиз­ водит опер ации , связанные с обеспечением норм ального з а пуска двигател е й . 4 . Взаимодействи е агрегатов автом атики во время полета первой ступени. П ГС пtр вой ступен и о б еспечивает р егулирование тяги дви ­ г ател я и коэфф ициента соотношен и я топлива, а также р егули р о­ в а н и е н аддува б а ков. Агрегаты автом атики взаимодейсту ю т п о прогр а м м е , з аложенной во врем енной м еханизм систе м ы упр авле­ н и я . Временной м ехан изм начин ает р а ботать с мом ента ста рта р а кеты . 5. Разделен ие ступене й - совокупность следующих опер аци й : в ы ключение двигателей первой ступени; в кл ючение рулевого дви гателя второй ступени; н арушение связи м ежду ступеням и; тор можение первой ступени и з а пуск второй системы; вз аимодействи е агрегатов автом атики во время полета второй ступени происходит по программе, з аложенной во врем енной м е х а­ низм ступен и . 6. Отделение головной ч а сти о т корпуса второй ступени. 22

� Лроры8ная мембрана 'i\7 быст роразъемное соеilиненце Трубка Вентури

:

=0

=::::

qlцльтр J8ол о8ое

мe!JЧ!Jf СОГ/ЛО

' 'Р ис. 2.4. Принцнпиа.1ьная схе м а пневмог ндравл ическоii с исте м ы дви гательноii установки пер­ во ii сту11 е и и ра кеты « Т итан-Зс • :

1 - к л а п а н горючего г а з о ге нератора ; 2- кла п а н ОЮI С Л IIТел я газогенератор а ; 3 - газогене­ р а т о р ; 4 - тсплооб м е н 1 1 и к дл я о х л а ж де н и я продуктов сгора н и я ; 5 - и с п а р 1 1 тел ь ; б - п и р о · стартер; 7 - датчи к ча стоты в р а ще н и я турби н ы ; 8 - резервуа р и н а сос дл я с м а зоч ного м а е· л а ; 9- теплооб м е н 1 1 и к д л я с м а зоч ного м а с л а : 10 - к л а п а н о к и сл11 тел я : J / - 1<л а п а 1 1 горю чего; 12 - серво п р и вод: 13- у п р а в л я ю щ и й кла п а н ; /4 - з а борт н ы й слив; / 5 - реле д а вле­ ния

П о схеме дви г ателя и системе отдел е н и я голов н о й ч а сти сост а в­ л я ется в р е м е н н а я п р о г р а м м а п р о хож.1.ения ком а н.1. н а а г р е г а т ы а втоматики двиг ателей, с и стем ы н аддува и элементы снете м ы отде­ л е н и я . Эта п р о г р а м м а до.ТI:жн а быть согл а сов а н а с б а л л исти чески м и х а р а ктер исти к а м и р а кеты. П р и м ер ы в ы п ол н е н ия с истем п и т а н ия р а к е т Н а р ис. 2.4 , 2.5 и 2.6 п р и ведсн ы п р и н ц и п и а л ь н ы е с х е м ы п н евмо­ г идр авл ическп х с и стем д в и г а тельн ы х уста н о в о к п е рв о й в горой и третьей сту п е н ей р а кеты-н осителя «Тита н-Зс » . В т а б л . 2. 1 п р иве­ дсны осн о в н ы е х а р а ктер исти к и двигател ь н ы х уста но в ок р ш<ет ы - но­ с и т е л я «Тпт а н - Зс». В с е дв и г ател и р а бот а ют на ком понентах топли­ в а четырехокись азот а + аэрозин-50 [67]. На р ис. 2.4 п р и ведс н а п р и н ц и п и а л ь н а я схе м а n н е в м о г и д р а в,Тi и ч е­ с к о й с н етем ы д в и г а тельной уст а н о в к и п е рвой сту п е н и . Д в и г а тельн а я уст а н о в к а п е р в ой сту п е н и состои т и з д в у х а вто­ но м н ы х ЖР Д. Под а ч а топлива в к а м е р у сгор а н и я - ту р бена сос­ на я. Для п р ивода тур б и н ы н с п О.'l l · З \'ются п р одукты сгор а н и я га зо­ г е н е р ато р а Для н аддува б а к а с N204 используются пары, получа,

.

23

50if 20/liO'Il'i'O

- IIOCnJjJUl'I/H0/1 - шotioo � Лроры8НО/1 � l'fl'1'1UJlOHO

'ff

5Un

OKШ:Лi/nJI.'Л/1

.-.. Труоко 8l'Hn7J'Jlil

.._..

�

Фi!Лb nJ(J

.l8.!!Ko!OI? OЬ!Cnl/!0/!U.JЬI'/'1H/Il' --- 1'11?/!Hfll' ....COI'Uiflfl'нtlf C/JilЛO

Рис. 2.5. Прииципиальиая схема п иевмогидравлической систе м ы двигательной установки вто­ рой ступе н и р а кеты « Т итан-Зс» : 1 - кла п а н горючего г а з о г е н е р а т о р а ; 2 - к л а п а н о к и с л и т е л я г а з ог е н е р а тора ; 3 - г а з о г е н е ·

5 - и с п а р и т ел ь ; 6 - п и р о ­ р а т о р ; 4 - теплооб м е н н и к для охл а ж де н и я п родуктов сгор а ни я ; ста р т е р ; •7 - д а т ч и к ч а стоты в р а щ е н и я т у р б и н ы ; 8 - р е з е р в у а р и н а сос для с м а з о ч н ого м а с ­ л а ; 9 - теплооб м е н н и к дл я с м а з о ч ного >� а с л а ; 10- повор.о тное в ы х л о п н о е с о п л о ( д л я у п ­ р а в л е н и я п о к р е ну ) ; 1 / - кла п а н о к и слител я ; 12 - кла п а н горюч е г о ; /3 - с е р в о п р и в о д ; / 4 у п р а в л я ю щ и й к л а п а н ; 14 - з а бортн ы й с.ч и в ; 1 6 - реле д а в л е н и я

Рис. 2.6. Принципиальная с х е м а пневмогидравлическоii третьеi\ стуn ени ра кеты « Титан-Зс » :

систе м ы

двигательной

установки

1 - др е н а ж ; 2 - у п р а вл я ю щ и й к л а п а н ; 3- сол с н он д н ы й к л а п а н ; 4 - н а с т р о � ч н а я ш а й ба в с н е т е м е у n р а вл я ю щ е г о к л а n а н а ; 5 - п о т с н ц н о мс т р . б. 8 - н а ст р ое ч н а я ш а й б а ; 7 - д в у х ­ к о м п о н е н т н ы й кл а л а н

ем ы е путем н а грева в испар ителе 5 N204, отобр а н ного з а н а сосо м . Н аддув б а ка с гор ячим осуществляется в ыхлоп н ы м и г а з а м и тур б и ­ н ы после их охл ажден ия в теплообменни ке. З а пуск тур б и н ы произ­ водится при помощи пироста р те р а . З аданный уровень тяги двига­ тел ьн ых уста новок поддерживается постоя н н ы м с помощью трубо к В ентури, уста новлен ных в системе п итания топливом газогенер а ­ тор а . Камер ы сгор а н и я уста новлены ш ар н и р но и обеспечивают уп­ р а вление полетом . Н а рис. 2. 5 п р и веден а п р и нципиальн а я схе м а пневмогидр авли­ ческой систе м ы в двигательной установ ке второй ступени р а кеты «Титан-Зс». П р едста ртовая р аскрутка тур бины осуществляется п и роста рте­ р о м б. После в ы хода тур бон асоснаго агрегата на номинальный ре­ ж шvi д.'l я п р и вода тур б и н ы испол ьзуются п р одукты сгор а н и я газоге­ н е р атор а 3, р а бота ющего н а основных ком понентах топ;: и в а . О кис­ л и т ел ь и гор ючее дл я Ж Г Г отб ирается н а в ы ходе из н асосов гор ю­ чего 1 1 окисл ителя. Н аддув б а к а О iшсл итеJIЯ п роисходит п а р а м и чет ы р ех о к в с и аза­ т а , кото р ы е образуются в резул ьтате испарения ж ид кой четыр ех25

Таблица

2. 1

О сно в н ые х а р а кте рист и к и д в и rате.�ьных уст а но зок р акет ы-!lоситед я «Тит ан-Зс» Г67] П a j J J \I e rp

Ко.1 и ч е с т в о к з щ� р сгор а н и я Т я г а , ,1\\ Н Соо т н о ш с н : I е lш \I I H J! I C I I i O B т с п :ш в ;�

В р е \! Я р а б о т ы , с Д а в л е н и е в к а \н � р с ::rcp;; i ш >i , А i П а С т е п е н ь у ш и рс н в я co iJJJJ М а с с а з а "1 и т о г о д в ш а rе.1 я , к г 1 На

Пе1 '"" ею)

с ryt

2 0 , 95.5 Х :2 1

1 ,93 1 6)

5 ,3

8 89J x 2

R ! np a я

с 1 у н е Н IJ

о , .J,-;..) 2 1 ,80 220 5,6 + 49,2 57J

T pe i t J И c r y t ieнn

2 u , 35 .>( 2 2

2,0 500 0, 7

40 ! 03 Х 2

земле.

' В в а куу м е .

окиси азота в испар ителе 5. Мяты й газ после т урбины, п ройдя ис­ п а р итель 5, через выхлопное сопло 1 0 выбр асывает �я в окр ужа­ ющую среду. Н аддув б а к а горючего производится продуктам и сгор а н н я ту р­ бин ного Ж Г Г, отби р аем ы м и после тур бины и охл ажден н ы м и в теп­ лообменнике 4. ЖР Д н а кардановом подвесе обеспечив ает упр авле­ ние в плоскостях тангажа и р ыска н ья . Для у п р а вления п о крену испол ьзуются выхлопные газы тур бины, истекающие через откло­ няющее сопло. На р и с . 2.6 п р и ведена принципиальная схем а пневм огидр авли­ ческой систе м ы двигательной уста новки третьей ступени. Двига­ тел ьная уста новка в ключает дв а )I(РД А Г- 10-1 38. Двигател ь до­ пускает трехкр атное повторное в ключение, длина двигателя 2 0 5 см� диа м етр в ы ходного сечен ия сопл а 12 1 см. Камер а сгор а н и я ох,'! юк­ дается з а счет а бляции теплоз а щитного м атер и а л а , сопловой блок изготовл яется из колум бия и тита н а . ДJI Я за пуска двигатедя А Г- 1 0-1 38 подается эдектросигнал на соленоидн ы й кл а п а н :3 , кото­ р ы й откр ывает управляющий кл а п а н 2. Гор ючее из б а к а п од дав­ лением н аддува поступ ает к сервоприводу, кото р ы й откр ы в а ет двухком понентн ы й топливный кл а п а н 7. Кл а п а н ы окис.'I нтеля и го­ р ючего связ а н ы , что обеспечив ает одноврем е н н ы й подход ко м ::о­ нентов топл ива к форсуночной головке. С помощью н а строеч н ых ш а й б 4 и 8 в систем е пода ч и поддерживается зада н н ы й коэффици­ ент соотношения и р а сход '!Опл ива . Для отсечки двнгателя вы клю­ чается эдектр опита ние соленоидного кл а п а н а 3 и к: ш п а н з а кр ы ва­ t�тся . 2.3 . СИСП : МЬI НАДД У ВА . ОСН О ВН ЫЕ ТРЕ Б О ВАН И Я И КЛАСС И Ф И КАЦИЯ

С истем а н а ддува спужнт для поддержа н н я т р rбуеюг о да вле­ ния в топл и в н ы х б а к а х . Давл е н не в б а к а х при вытеснител ыrой си ­ сте м е под а ч и необход и :'lю п оддерживать с большой точ н осrью вви-

26

ду того, что тяга таких двигателей пропорцион альна да влен и ю н ад­ дув а . П р и турбон асосной системе подачи топлива т я п 1 д s и г а т с .'I Я незнач нтел ьно зав исит от изм енен ия п а р а метров систем ы н аддува . В процессе р а боты двигательной уста новки с турбона сес ной си­ стемой подачи в каждом из топл ивных б а ков необходимо i:оддер ­ ж и вать да в.11ение г а з а н аддува м ежду м и н и м ально и м а кс и м а л ыю доп\·ст и м ы м и значен и я м и . Н аддув топюшных б а ков необходи м : 1 ) для обеспечения бескавита ционной р а боты н а сосов н а всех режri м а х р а боты двигате.11я ; 2) дл я устр анения провалов давления в б а к а х в момент з а пуска д вигател ьной vстанов к и ; 3 ) дл я ус ко рения выхода двигателей н а р е ж и м с целью умень­ ш е н и я предстартов ы х р асходов топлив а ; 4 ) для повышения проч ности б а ков п р и воздейств и и н а н и х осе­ вых сжима ющих на грузок. Для обеспечения р аз л и ч н ы х режимов р аботы двигателя приме­ н я ют с.11едующие виды н аддува топл и в н ы х б а ко в : п р едста ртов ы й н аддув б а ков первой ступени , обеспечивающий за пуск дви гател ьной установки этой ступен и ; бортовой н аддув, обеспеч и в а ющий р а боту двигателей н а ном и­ н а л ьном режи м е ; г а р анти й н ы й наддув и л и поднаддув б а ков второй и последу­ ющих ступеней , обеспеч ивающих з а пуск их двигателы1 ы х устано­ вок; н аддув, обеспеч ивающий р а боту дВИгателей н а режим � конеч­ ной ступен и . К систем ам н аддува предъявляются следующие требов ания. 1 . М;1лая м а сса . Масса систем ы н аддува в общем случа е скл а ­ д ы в а ется из м ассы необходимого дл я н аддува газа ; м ассы ем костей для х р анения этого газа и л и веществ, из кото р ы х он получается ; м ассы агрегатов, в кото р ых генерируется газ ; м ассы эл е ментов а втом атики и а р м атур ы . 2. П ростота конструкции систем ы н аддува, т. е. систем а надду­ ва должн а выпо.11 няться п о н а иболее простой схеме, включн ющей м и ним ал ьное кол ичество э.11ементов. 3 . В ысокая н адежность систем ы. Надежность обеспе,швается в ы полнением системы н аддува по наиболее простой схеме, включа­ ющей м и н и м ал ьное кол и ч ество элементов при м а кс и м а л ьной на­ дежности каждого из них. 4 . Удобство э ксплуатации. С этой целью нежел ателыю и:'.1 еть на борту специально для систем ы н аддува кюше-либо жидкие или га­ зоо б р а з н ы е веществ а . Если же без та ких веществ обойтись невоз­ м ожно, то по.'!учение их в наземных уста новках не должно быть со­ п р яжено со значител ьн ы м и трудностями . . Для безопасности эксплуатации н еобходим о стр ем иться к п р и­ менению в с н етеме н аддува элементов, н е требующих поднастрой­ ки в п роцессе х р а н Е н и я и перед пуском р а кеты . 27

5 . П осто я н с т во п а р а м етров с нетем ы н адду в а ( д а в л е ни е , т е м п е­ р атур а , р асход г а з а ) . ПостоянсТJ.ю этих п а р а м етров уменьш ает . р а з бр о с соотношен и я ком п онентов топлива, посту п а ющи х в кюлеру с г о р а н и я ЖРД , в связи с чем у м е н ь ш а е т ся г а р а н т ий н ы il запас ком­ п о н ентов, с н и ж а ется м а сса р а кеты н , с ле д о в а т ел ь н о , улу ч ш а ютс я э н ер г е ти ч е с к ие х а р а ктер исти ки р а к е т ы в целом . 6 . Н и з к а я сто и мость и з готовл е н и я и э к с п л v а т а ю r н . (> о н :-. I ость с к л а д ы в а е т с я из стои мости с а м о й с и с т оt ы н а бо р т) р :_н . �· п .. п <.: н; н ­ мости н а з е м н ы х агр е гат ов о б служ и в ан ия ( а з отодо б ы в а ющ 1н .• стан­ ц и и , ком п р ессоры, б ал .1 о н ы высокого д а вления и п р . ) . На с т о и :-.t ост ь с и с те м ы н аддува о п р еде.r1 е н ное вл и я н ие о к а з ы в а ют н з а т р а т ы , п р о­ и з в оди м ы е п р и п р оекти р о в а н и и и отра ботке этой с и стем ы . 7 . Миним ал ьное в р е м я проектиро в а н и я и отр а ботки снетем ы над­ дува . Многие вопрос ы , во з н и к ающие п р и р а з р а б от к е систем ы н ад­

дув а топ л и в н ы х б а ков новых р а кет, н е м огут быть достаточ но н а­ дежно р е ш е н ы р асчетн ы м путе м . Поэтому н а в се х. э та п а х проеi<ТП­ рования, за исключением эта п а эскизного п роектирования, п р ихо­ дится п р о водить испытания и отр а ботку отдель н ы х узлов и а гре­ гатов систем ы н аддува, н а что затр а ч ивается з н а ч ител ыюе врем я . С цел ью сокр ащения этого времени п р едпочтение отд а ется о б ычно систем а м , а втоном н ы м для бака окислителя и бака горючего. Это позволяет р асширит ь фронт р а бот, проводить п а р аллещ,ное проек­ тирование и отр а ботку этих систем в нескол ьких в а р и а нта х . 8. Пос т оян н а я готовность к пуску в и нтер вале тем ператур, з ад а ­ в а е м ы х по техн ическим т р е бо в а н и я м к р а кете. 9. В ы сокая герметич ность систем ы н аддув а в п р оцессе х р а не­ ния и s- ксплуатации. В з а в и с и м ости о т конкр етного н а з н а чения систем ы н аддув а к ней п р едъявляются и другие с п ец и ф и чес к ие требова н и я . К л асси ф икаци я с истем наддув а

Классифицировать систем ы н аддува м ожно по р яду признако� · по способу сообщения энер гии р а бочему телу ( газу н аддува ) , по способу получения газа, п о роду и ф из и к о - х и м и ч е с к и м п р н 2 н а ка м р а бочего тел а , по а грегатному состоянию и кол и честву исход н ы х веществ дл я получен и я этого г а з а , п о способу р егул и р о в а н и я дав­ ления н а д д у в а и т. д. Н а р ис. 2 . 7 п р иведена к л ассиф и к а ц и я с истем н а дду в а по этим п р и з н а ка м . Эн е р г и я и р аб о то с п ос о б н о с т ь г а з а су­ щественно з а висят от п роизведен и я R T, т . е. от х и м и ч е с кого соста в а га з а и о т е г о тем ператур ы . Повышение тем пературы 1\I ожет быть достигнуто путем сообщен и я газу тепловой э н е р г и и на борту р а ­ кет ы . В к а ч е с т ве петоч н и к а тепловой э н е р г и и возможно и �пол ьзо­ в а н и е х и м ической э н е р г и и жидких и тверды х топлпв, тешювой э н е р г и и о т р а бот а н н ы х в тур бине газов и т . п . Системы н аддува, в котор ы х испол ьзуется г а з , и м еющий более­ в ысокую тем пературу ( в с ле д с т вие п одвода к нему т е пл о в о й э н ер­ г и и ) , чем тем п е р а ту р а жидких ком понентов, п р и нято н а з ы в а т ь « г оряч и м и » .

28

XaлoiJn:�

Скоросm11ым напором Оозду)(а

(газобалло.и, . .,,е }

�

.., :t:

!:: '-' "'

� :::s

�

Однокомпо11ентные

Специальные с отбором

. �

'5 � � "'

,§�

:::s "'

;;}::1 '"" :§ '- с:>

�� "'-

!::

':::! !::

<> :t: ""' . , !...'":. )

�

�J

"'-

':::S

� !::

"> :t: t::] <>J · "'- "' "" r.:J ,, t�

� "'-

�

Дdу)(I{ОМПО!fентные

газогенераторы

газа

перед тураиноL!.

С o,mfoдo/'1

...___ _ _

г а з а за

mypouнoU.

J

Р ис. 2 .7. Класс и ф и кация систем наддува топл ивных баков р а кет

С исте м ы н аддув а н аз ы в а ют «холодны м и » и л и газоба ллон н ы м и� если для н аддува б а ко в и с п ол ьзуется полученный з а р анее и а к ку­ м у л и р ов а н н ы й в газовых б а л л о н а х газ и этот газ на борту р а кеты спеuиально н е подогревается. По с пособу р егул и р о в а н и я р а схода р а бочего те.'l а н аддува газо­ б аллонные систем ы под р а зделя ются н а р едукто р н ы е и безредуктор­ ные. В первых и з н их органом , а втом атически регуJшрующпм р ас­ ход газа, необход и мого для поддерж а н и я постоя н н ого д а в л е н и я в б а ке, я вляется р едуктор . П р и безр едуктор н ом н а ддуве о о г а н о м , обес п е ч и в а ющим п одде р ж а н и е необходимого д а в л е н и я в б а ке, яв­ л яется с и сте м а ж и клеров и кл а п анов, откр ыв ающихся п о з а р анее з а д а н ной прогр а м м е . На р ис . 2 . 8 показавы п р и нu и п и аю,ные схем ы р едуктор ноi'r и без р едукто р н ой газобаллонн ы х с и стем н адду в а . Р а бо ч и м телом в газобаллонных систе м ах н адд у в а обычно яв­ л я ются воздух, азот и гел и й . Н а п е р в ы х ступенях р а кет д л я н адду в а б а ков и н о г д а испол ьзу­ ются систем ы н аддув а скоростн ым потоком воздуха , обте к а ющего

2�

б

7 1

7 1

а)

Р 11с. 2 . 8 . П р и н ц и п 11альные схемы редук­ тс р н о й ( а ) и безредукто р н о й ( б ) rазобал­ ,,о н н ы х с истем наддува: 1 - т о п .•ш в н ы й ;! З В .1 е 11 1 1 Я ; .1 -

Э.1 С I<Т,рО П IIеВ�IОКЛ а n а н ( Э П К) ; б а J\ "

2 - баллон

n ы c O J\ O r o

5 - дре l l а Ж Н О · ;t a B.1 C H I I Я ; 4 - ред\'I<ТОр п р е д о х ра шпс.1 Ыi ы ii к .1 а п а н (ДП Ю ; 6 :ii\. Ш\w'I c p : 7 - pc.'IC д а в .'J е l i И Я

'{j)

р а кету в полете . В е л и ч и н а энта л ь п и и воздуха , посту п а ющего в топ­ л и в н ы й б а к, о п р еделяется в этом слу ч а е с коростыо р а кеты .>1: п а р а­ м етр а м и атмосфер ного воздуха . Н аддув скоростн ым н а п ором п ото­ ка воздуха обычно п р и м еняют в сочет а н и и с друг и м и систем г.н и н а д­ дува и только н а первых ступенях р а кеты . Горячие системы н аддува по способу п олучения р а бочего тела п од р а зделя ются н а г азогенер атор н ы е , н а системы с непосредст вен­ н ы м вводом р е а г и р ующего вещества в б а к, н а и с п а р ител ьные и н а газобалло н н ы е с и стем ы с п одогревом р а бочего тел а . Из горя ч и х {;Истем н аддув а н а ибольшее р ас п ростр анение получи л и в н а стоя­ щее в р е м я газогенер а тор н ые . В т а к и х систе м а х р а бочее тел·::> полу­ чается в г а зогенер а тор а х п р и сго р а н и и ж идкого или твердого ( п о ­ роха ) топли в а . Соответственно этому р азличают с и стем ы н а ддув а {; жидкостн ы м и газогенер атор а м и (ЖГГ, р ис. 2.9 ) и с п о раховым и ( твердотопливным и ) газогенер атор а м и ( П ГГ, р ис . 2 . 1 0) . ЖГ Г р а­ б отают н а двухкомпонентном и л и одноко м понентном ( ун и та р ном ) жидко м топл иве, п р ичем м о гут быть использов а н ы к а к ком поненты ЖР Д дан ной р а кеты , т а к и с п ециальные. В н е кото р ых с истем а х

·

J

2

7

J 9

1'ис. 2.9. П р и н ц и п и альная сх е м а с истем ы наддува от с п ециальноrо )!S Г Г : 1 - топл и в н ы й б а к ; 2 - ЖГГ; 3 - Жllкл е р ; 4 - обратн ы й �>д а n а н; 5 - реле

д а в д е н и я;

6 - ДП К

Рис. 2 .10. П р11нцип и адьи ая схема с и ст е м ы 11аддува о т П Г Г :

J - т о п л и в и ы li б а к ; 2 - П Г Г ; 3 - н у с к о в а s1 �>а м е р а ; 4 - м е м б р а н а ; н ы й к л а п а н ; 7- отра ж а т е л ь ; 8 - Д П !\ ; 9 - р е л е д а вд е н 1 1 я

зо

5 - насадок;

6 - о б р а т·

Р и с , 2 . 1 1 . П р и ощ и п и а.1 ьные с х е м ы с исте м наддува от турбинного Ж Г Г с отбором г а з а перед турбиной ( а ) и за турбиной

( u):

1 - топ.ш в н ы i! б а к : 2 - т у р б и н н ы й Ж Г Г : 3 - т у р б и н а ; 4 - н u сос г о р ю ч е г о « Г >> : 5 о б р а т н ы й к л а п а н : 6 - joi·Ш K�l e p ; 7 -- с :оо.t с с и · Т С ..1 Ь ;

8- реле

п а н ; 1 0 - Д П I(

д а В .l С Ш I Я ;

9 - П H C' ll �1 0 K .1 U ·

н адду в а топливных б а ков для получения п р и мен яют газа специ альные газогенерато р ы , в други х - и спол ьзуется га з ту р ­ би н ного Ж Г Г ( р ис. 2. 1 1 ) , п р и­ чем отбор тур бинного г а з а м о ­ жет п роизводиться з а тур биной 5 pl /j) или п ер ед турбиной. В послед­ нем случае для снижения тем пер атур ы г а з а его б а л л а стируют в см есителе соответствующим компонентом топл и в а . К гор я ч и м систем а м н аддув а относятся т а кж е спстt: м ы н аддува с использова н ием г а з а , отби р а ем ого и з к а м е р ы сгор а н и я Ж Р Д или из камеры сго р а н и я тур б и н ного ЖГГ. Отбор газа из Iiа м е р ы сгор а ­ н и я ЖР Д п р оизводится в т о м м есте , где п р оцесс сгор � н и я в основ­ ном з а вершен. Поэтом у газ, отбир ае м ы й из ка м е р ы сгор а н и я ЖР Д и л и ЖГГ, н а п р авляется в дв а г азогенер атор а . В п е рвом газогене­ р аторе ( с м есителе) производится снижение тем перату р ы г а з а пу­ тем его с м ешения с о п р едел е н н ы м кол ичеством одного и з ком по­ нентов топл и в а , во втором г а зогенер аторе п р о и сходит дож11 Га н и е с т а к и м р а счетом , чтобы обеспечить необходим ы й сост а в и rем пер а ­ туру г а з а , идущего н а н аддув второго топл И вного б а к а . П о п р инципу получе н и я г а з а н аддува к газогенер атор н ы м с и­ стем а м близки систе м ы с непосредстве н н ы м вводом жидкого ре­ а гента в топливный бак ( р ис. 2. 1 2) . Г а з н аддув а в этом случ а е образуется в с а м о м б а ке в р �зульта­ те х и м и ческого в з а и м одействи я ж идкого и л и твердого р еагента с

Р и с . 2. 1 2 . П р и н цош иальные с х е м ы систем наддува с непосредст в е н н ы м вводом в топ.111ВНЫК� б а к ж и д кого ( а ) иди твердого р е а гента ( б ) : 1 - топл н в н ы n

д а в д ения ; 7 -

б а о; ; 2 - ж и кдср; .1 - обр а т н ы й кла п а н ; 4 - м е м б р а н а ; 5 - Д П I( ; е " кость с твор:� ы м р е а г е н то м : 8 - доз а т о р твердого р е а г е н т а

6 - реде

31

б

4

5

5

1

б 1

Рис. 2 . 1 3 . П р и нц и п иальная схема исJJаРIIтел ьной системы наддува: 1 - т о пл и в н ы й б а к ; 2 - обратный да вл е н и я ; 7- Д П I( ; 8 - т у р б и н а

кла п а н ;

3 - и с п а р и т ел ь ;

4- Э П I( ;

5 - ж иклер;

6 - рел е

Р ис. 2 . 1 4 . П ри н ц и п иальная схема газобаллонной систем ы наддува с подогревом газа:

1 - т о пл и в н ы й б а к ; 2 - б а л л о н в ы с о к о г о да вле н и я ; л е р ы ; 6 - р е л е д а вл е н и я ; 7 - Д П I( ; 8 - т у р б и н а

3- т е п л о о б >� с н ю• к ;

4 - Э П I< ;

5 - жик·

жидким ком понентом топли в а , т . е . п р оцесс сго р а н и я пер еносится и з газогенер атор а непосредственно в топливный б а к. При т а ком способе н аддув а , особенно п р и испол ьзова н и и в к ачестве р е а гентов самовосп л а м еняющихся ком понентов основного топл и в а, сущест­ венно упрощается п невмогидр авлическая схе м а с и сте м ы н аддува и , следовательно, всей р а кеты в целом . Если исходным и веществ а м и для р а бочего тела н а ддува явля­ ются криогенные жидкост и , то систе м ы н аддува н а з ы в а ются испа­ р ител ьн ы м и ( р и с. 2. 1 3 ) . Источн и ком тепловой э н е р г и и , н еобходи­ мой для н а грева г а з а , а т а кже для получения его из кр и оген н ы х жидкостей (жидкий кислород, фтор , водород и т . п . ) м огут б ыть гор я ч и е г а з ы, им еющиеся на борту р а кеты ( н а п р и м е р , газы, ото­ б р а н н ы е от тур б и н ы ) . В этом случ а е п роцесс теплообмен а п р о и схо­ дит в специальных теплооб м е н н и к а х или смесителя х . В т о м случ ае, когда исход н ы м и веществ а м и явля ются сжатые газы, систем ы н аддув а м огут быть н а з в а н ы газобаллон н ы м и с по­ догревом газа ( р ис. 2. 1 4 ) . Газобаллонные с истем ы с подогревом г а з а , по сравнению с холодн ы м и газоба.1лонн ы м и систем а м н . о б л а ­ д а ют тем п р е и м ущество м , что д а ют возм ожность п о в ы с и т ь r а бото­ способность г а з а н аддува (и тем с а м ы м уменьшить п отребное ко­ л и ч ество его) за счет утил и з а ц и и тепловой энергпи газов, отходя­ щи х от тур б и н ы . Н еобход и м о отметить, что во м ногпх р а кетах си­ стем ы н аддува топ л и в н ы х б а ков п р едставляют собой р азличные ком б и н а ц и и р а ссмотрен н ы х в ы ш е п р остейш и х с хем гор ячего и хо­ лодного н адду в а . Та к, н а п р и м е р , п р и н а ддуве с коростн ы м н а по32

р о м потока воздуха о б ы ч н о н е обеспеч и в а ется п одп.е р ж а н п с ;1 а вл е ­ н и я в б а ке в з а да н н ы х п р едел а х н а в с е м а ктивном у ч астке т р а е к­ то р и и р а i<еты . В этом случ а е в о п р еделенн ы й , з а р а нее р а ссч и т а н ­ н ы й м о'V! ен т в р е м е н и , осуществля ется переключен п е н аддув а с к о ­ р остн ы :\1 н а пором н а другой с пособ н а ддув а - н а холодную и .'I И го­ р я чую с и стему н аддува . Д р у г и м т и п и ч н ы м п р и м ер а м является ком б и н аци я р а з.п и ч н ы х с и сте:\I д.1 я п р едв а р и тельного и противока в и т а ц и о н н о го н аддува б а ков . Д.1 я п р едв а р и тедьного н аддува п р и м е ня ются п р е ю1 у ществен­ н о г а з о б а л л о н н ы е с и стем ы . П р ед в а р и те.1 ь н ы й н аддув то п л и в н ы х ба ков одноступенчаты х р а кет и б а ко в пер вой сту п е н и м ногоступен­ ч аты х р а кет осуществл яется, к а к п р а вило, путем подач и г а з а ч е ­ рез П Щ С ( пневм ощиток ста р тов ы й ) и з б а д д о н о в , в ходя щ и х в коы­ плекс н азем ного оборудов а н и я . Предв а р ител ьный н аддув б а ков второй сту п е н и может п р о и зводиться н а ста рте ( ч е р ез П l Н С ) ил и с р азу пос.Тiе р аздед е н и я ступеней - и з б а лдонов, н а ход я ш и хся н а втор ой ступен и . В п асдеднем случ а е дости гается р а з грузка б а ко в втор о й ступ е н и в н а и бодее о п а с н ы й дл я н и х п о п р очности м ом е н т­ конец р а боты двигатедьной установки п ер вой сту п е н и , когда коэф­ ф ициент пер егрузки р а кеты достигает м а ксим альной вед и ч и н ы . При этом м асса систе м ы п р едв а р ительного н аддув а , н а ходящейся н а борту р а кеты, м ожет о к а з аться м еньш е до п ол н ите.r�ьной м а с с ы топ ­ л и в н ых б а ков с утолщенн ы м и стен ка м и . Увел и ч и в ать толщнну сте­ нок б а ков п р и ходится с цел ь ю обеспече н и я необходимой прочности б а ков прп н а гружен и и и х на старте да влением п р ед в а р итед ьного н адд\· в а . С о чет а н и е холодной с и сте м ы п р едвар ительного н аддув а с горя­ чи м п р отивока витацион н ы м н аддувом и м еет оди н существен н ы й н едостаток, состоящий в том , ч т о п р и смешен и и гор ячего гене р а ­ тор ного г а з а с холод н ы м г а з о м п одуш ки п р едв а р ительного н адду в а п р о и с ходит и н тенс и в н а я конденсация п а ров в о д ы и п аров избыточ­ ного ко:'lшонента, соде р ж а щи хся в генер атор ном газе. Поэтому го­ р я ч и й наддув о к а з ы в а ется неэфф е ктив н ы м до тех п о р, п о к а не п р о ­ гр еется весь г а з в т о п д ивном б а ке . Н а ч а л ь н а я н еэффект и в ность го­ рячего п ротивока вита ционного н аддува ком п енс и р уется тем, что объем г а зовой поду ш к и п р едв а р ител ьного н адду в а бер ется увели ­ ч ен н ы м п р имерно в два р а з а по с р а в н е н и ю с холодн ы м н аддувом б а ко в . Увел ичение же объем а г азовой п оду ш к и в едет к утяжелению б а ков п к увеличен и ю дл и н ы р а кеты . Ука з а н н ы й недостаток может быть л и квидирован, есл и п р и м ен ить сочет а н и е горячего п р отиво к а ­ витацпонного н аддув а с гор я ч и м п р едв а р итель н ы м наддувом б а­ ков . Из горячих с и стем н а и более п р и е м л ем ы м и ддя п р ед в а р ительно­ го н а,::ц ув а п р едстав.Тiяются две систем ы : с твердотопдивным г а зо­ генер атором и с непоср едств е н н ы :\1 вводом р е а г и р ующего ком по­ нента в топ л и в н ы й бак. При и с по.Тi ьзов а н и и П ГГ необходим ы м ус­ ловпе:>.I явл яется п р и м ен е н и е т а к и х твердых топ.тr и в , п р и сгор а н и и котор ы х об р азуются п р одукты, во- первых, не да ющие взр ьп�оо п а с­ но й смесп с п а р а м и ком понентов топл п в в газовой подуш r.;:е, во-вто2- 1 7 1 8

33

5

8

б 7

J r � :j " ; -

g

11 8

Рис. 2.15. П р 111щн п нальиые схемы систем предварите.1 ьноrо наддува с н епосредственным вводом в топл и в н ы й б а к ж и д кого (а) н твердого ( 6) реагента: 1 - т о п л и в н ы й б а к ; 2 - а �ш у.1 а г а з а в ы с о кого д а в .1 е н и я ; 3 - п н р о м е " б р а н а : 4 - ж и кл ср ; 5 - а м п у л а с ж и д к и м р е а г е н т о м ; б- " е " б р а н а ; 7 - о б р а т н ы й к л а п а н ; 8 - р с .1 с д а в .1 с н и я ; 9-

.J: П I\ ;

1 0 - а " п у л а с тверды м р е а г е н т о м ;

1 1 - п и р о п а т р о н ; 12 - м е м б р а н а

р ы х, и м еющие н е очень высокую тем пер атуру. Особенностью поро­ хов является отр и ц ательный кислородн ы й б а л а н с п р одуктов сгор а ­ н и я . Поэтом у в б а ке окислителя возможно догор а н ие, ведушее к увеличению тем п е р а туры и д авления газов в б а ке. Для иск.:поч ен и я догор а н и я п р и м ен я ю т : п о р ш е н ь или эластичную п е р егородку д л я отдел е н и я пороховых газов от жидкого окислител я ; специ а л ь н ы й газогенератор, генер ирующий га з с и з б ытки1 окис­ .J:штеля . Т е ж е ф а ктор ы (взр ывобезоп а сность и допусти м ая те;_�;ш ер атур а г а з а в подушке) определяют возм ожность п р именения снетем ы н адду в а с н е п оср едствен н ы м вводом р е а гирующих веществ в топ­ .тшвный б а к. На р и с . 2. 15 п о к а з а в ы п р и н ц и п и альные схе м ы с и стем п р едва р ител ьного наддув а с вводом твердых или жидю1х Р·�а гентов в топл и в н ы й б а к . Возможность п р а ктического и спользов а н п я си­ стем с непосредственн ы м вводом р е а ги рующих веществ д:� я п р ед­ в а р ител ьного и п р отивокавитационного н аддувов р а ссм а т р п в а етсяr в р а боте [39] . �ще одни м п р и м ерам использо в а н и я р азличных систбt п р отиво­ кавита ционного н аддува для одного и того же топлпвнсго б а к а р а­ кеты может служить сочетание горячей с и сте м ы н аддува с а м ого б а ­ к а с холодной системой н адду в а топливного трубоп ровода . соеди­ н яющего б а к с н а сосом ( с м . р и с. 2. 1) . В топливном трубопроводе п е р еднего б а к а р а кеты н а хо;J: птся не­ сколько сот килогр а м мов жидкого ком понента топл и в а . И с пользо­ в ать это кол и чество ком понента обычно нельзя п отому, что после опорожнения бака п р о и с хо;J:ит рез кое п а ;J:ен п е ;J: а в л е н н я н а входе в н а сосы из-за vменьшения столб а жидкости над н а сосо м . Чтобы в н а сосе не воз н и к а л а кавитация, необходимо соответствующи м обр азо м пов ы ш а ть давлени е н аддув а . В водить для этого г а з во вес ь бак нецелесообразно, так к а к при большом объеме б а l\ а потре­ буется з н а ч ительное кол ичество г а з а н адду в а . Потр ебное количе-

34

ство г а з а н а м ного сокр а ща ется , есл и н аддувап, тол ь ко топлиrн1 ы й трубопровод, а в нутр е н н ю ю п олость б а 1{ а отсечь от него специ а л ь­ ным клапаном. Д .11 я н аддува т о п л ивного б а к а трубоп р овода о б ы ч н о испол ьзу­ ется хо.1одн а я без р едукто р н а я газоба.1лон н а я систе м а, I<ото р а я и м е­ �т небо.1 ьш у ю м а ссу и высокую н адежность. В з а висимости от способа генер а ц и и г а з а с и стем ы н а дд) ва р аз­ деля ются н а а втоном н ы е систе м ы н аддува ; на втор и ч н ы е систем ы н аддvва . А в тономные - это с и стем ы н адду в а , в кото р ы х и м еется собст­ в е н н ы й источн и к ; вто р и чн ы е - в кото р ы х п роцесс генер ац!1и г а з а н аддува и л и под а ч а топ л и в а в газогенерато р ы с и стем ы н аддува осу­ Щ€Ствляется за счет с истем ы пита н ия ЖР Д. К а втоном н ы м систе м а м н аддува относятся газобаллон н ы е ; с пораховым газогенер атор ом ; с непосредств е н н ы м вводом р е а гиру­ ю щ и х веществ в топл и в н ы е б а ки ; газогене р а тор н ы е с и с т е м ы н адду­ в а с г а з о б а л л о н н о й си стем ой п од а ч и то п л и в а в к а м ер у Ж Г Г . П р е и м уществ а м и а втоном н ы х систем н аддув а являются н е з а ­ висимость п а р а м етров систе м ы н аддува о т р а боты жидкостного р а­ кетного двигателя ; п ростота р егул и р о в а н и я с и стем ы н аддува н а р а кете ; а втоно м н а я отр а ботка с истем ы н аддув а ; воз м ожность п р ед­ ста р тового н аддув а топливных б а ков. Основ н ы м и недостатка м и а втоном н ы х с и стем надду в а явля ют­ ся их больш а я удельн а я м асса и больш и е г а б а р ит н ы е р а з м ер ы . К в т о р ич н ы м систем а м н адду в а относятся систем ы н адд} в а с ис­ полJ,зов а нием газа, отб и р а емого из камер ы сго р а н и я ЖР Д и л и Ж Г Г тур бин ы ; и с п а р ительные систе м ы н аддув а ; газогенерато р н ые систе м ы н аддува , в кото р ы х компоненты топ л и в а для )КГГ отб и р а­ ются после н а сосов ЖР Д.

2*

Г .n а в а

3

Т Р У Б О П Р О В ОД Ы

� 1 . Н А З Н А Ч Е Н И Е Т Р УБО П Р О В ОД О В . О С Н О В Н Ы Е Т Р Е Б О ВА Н И Я

П Р И П Р О Е КТ И Р О ВА Н И И Т Р У Б О П Р О ВО Д О В

Трубопроводы связыв а ют все агрегаты и узлы п н ев м огндроси· стем и дел а ют возможн ы м и х но рм альное ф у н кцион ирова нп е. По­ этому н адежность пневмогидросистем ы и р а кеты в цело�! за:Е!и с ит от надежности и п рочности трубопроводов и и х соединен и й . Для под а ч и ком понентов топ л и в а и для у п р а вления кл а п а н а м и с н етемы п од а ч и используются систе м ы трубопроводов р аз л и ч н ы х р а з :\I еров и конструкц и и . Трубопроводы пневмогидр авлических систс;,, п од­ верг а ются воздействи ю статических и д и н а м ических н а грузок. К статическим н а груз к ам относятся : собствен н а я м а сса трубо­ п р овода с а грегатом, внутр еннее давление, р е а кция опор r : р е пле­ н и я, м асса т р а н с портируемой среды . Д и н а м ическис н агруэю1 воз­ никают п р и пульс а ц и и давлен и я движущей ся п о трубоп роводам среды ; п р и в и б р а ц и и кор пуса р а кеты и опор крепления к нс-:l! у тру­ боп роводов. П р и п р о кл адке трубопроводов через топливные б а ки д.1я у м е н ь­ шения в и б р а ц и и целесоо б р а з н о крепит ь . трубоп р о воды к ш п а н го­ ута м б а ков п р о ф и л я м и и л и р а стяжкам и . Одн а ко, трубы в н у т р и б а ­ к а н ежелател ьн ы , т а к к а к о н и усложняют и удорожают б а l{. Если возможно, трубо п р оводы выводятся н а р ужу и п р о юш д ы ­ в аются в желобах-обтекателях. П р и уст а н овке трубо п р оводов н а кор пусе р а кеты следует и з б е­ гать ч астн ы х изгибов их, а т а кже м естн ы х возвышени й . Д .1 н \'д " об ­ с т в а м о н т а ж а и крепления трубопроводы н а кор пусе р ; :шеты уста­ н а в л и в а ются гру п п а м и и п р окл адыва ются в желоб а х - оСте iНt те.lя х. П р и чем для и с ключения пожа р а трубопроводы окисшrтеля п горю­ чего с.ТJ едует п р окладывать п о р аз н ы м желоб а м , особенно в с.1 у ч а е с а м овос п л а м е н я ющихся компонентов. Особое в н им а н ие при п р о кл адке трубопроводов следует об р а ­ щать н а и х р а сположен и е и кол ичество р а зъемов трубо п J , с во;щв. У:,fеньшение ч и с л а р а зъемов в сегда повышает э ксплуат а щ иш н у ю н адежность трубопровода и у м е н ьш а ет ее м ассу. При и з м е н ен и и тем пер а ту р ы окружа ющей с р еды 1 1 т р а пспорти­ руе:-.1 о й п о т р у б о п р оводу жидкости д л и н а трубо п р о вода н з \r с: н я ет с я и в нем воз н и кают больш ие термические н а п р яж е н и я . Д.1 я у :\l е н ь­ шения тер м ических н а п ряжений п р и меняют л и бо с п еци а л ьн ы е ком­ пенсаторы, .'I и бо испол ьзуется п р и н ц и п с а м о ком п е н с а щ ш . П р и с а­ :\! О iю м п е н с а цшi трубо п р овод изгибают т а к, что б ы о б р а зов а .1 и с ь. .

36

пе тля или несколько петель и Табли ц а 3 . 1 удл и нение з а счет тем пер атур ы в Р асстояния между опорами э то:\t случ ае будет вос п р и н и м ать- тру б опроводов -__-__--------:-------- · СЯ ГЛаВНЫМ обр аЗОМ За СЧеТ уп руР а сс то я н ие м е ж д у о но р а ч и . М �1 г и х дефор м а ци й изги б а элем ен­ Н а руж н ы й тов трубопр овода . ;.r.иa\te·rp, та трубы йз т р у б ы_,ии з с ­ а.1ю�tиниевых :\1 \1 П р и внез апном перекрытии CIJ 1 а нов трубопр оводов, п о котор ы м дви­ жется ко:\шонент топ.п и в а , возни к а ет rпдроуда р -р ез кое повыше­ -!00 З·Ю 6 -!50 380 8 ние д а вления жидкости в трубо ­ -1 00 500 1 0 вести и р п ожет м п р оводе, которое 500 5 80 12 к р азрушен и ю трубопр овода. По­ 560 650 15 этому при пр оектиров а н и и систем 600 700 20 600 25 800 в ы я влять п и т а н и я необходим о во зможность возникновения гид- ------�--- ----­ роуда р а и п р ин и м ать меры по уменьшению его и нтенси вности . . Виб р а ци и трубо•п роводов в ы з ы в а­ ются : р а ботой двигательной установки, перемещением отсеков , к котор ы м крепятс я трубопроводы, и пуль с а ц и я м и давления компо­ нен та топлива в трубоп роводах, в р езул ьтате чего возн икают коле­ б а н ия трубоп роводов . П р и совп аден ии ч а стот возмущающих коле­ б а н ий с частотам и собственных кол еба н и й трубопр оводов возни ­ к а ют р е з о н а н с н ы е я в л е н и я , котор ые п р и водят к р а зрушению тру­ б о п роводо в . Дл я устр анения этого явления необходимо выбир ать соответствующи е х а р а ктеристики трубопр оводов, м еста и способы крепления их к двигател ю и кор п усу. В табл. 3. 1 п р иведены данные по в ы бору р а сстоя н и я м ежду опор а м и трубопроводов пнев м огид­ р осистем самолетов [ 1 1 ] . О с новн ы е требо вания к трубо п ровода м

Основн ы м и требова н и я м и, п р едъявляем ы м и к трубопр овода м , являются. 1 . М а л а я м асса . 2. Незначител ьные потер и давлени я . 3 . В ысокая механ ическая прочность. 4 . М а л а я м а ссаnа я плотность м атер и а л а . 5 . Устойч ивость п ротив кор розии , особенно п р п р а боте двигател ьной установки на агрессивных ком понентах топлива , дли­ тельном х р а н е н и и р а кет в з а п р авленном состоянии. 6. В ысокая гер­ м етичность. Гер м етичность пневм огидр авлической систе м ы зависит от гер м етичности трубопроводов и от гер м етичности м ест соед и не­ ния ( сты ковки) трубопроводов. Это требование явл яется очень в а ж н ы м для издел и й длительного х р а н е н и я в з а пр авленном со­ сто я н н и . З адач и п рое ктир ован ия П р п п р о е ктиров а н и и р а кеты необходюю, ч то б ы т р у бо ; i р о воды прп :\Ш н и м а л ь н о й м ассе обеспечнвади rю.'Iуче н и е п р н е м .те:\! ы х г ид­

р а в.1 ическпх

и

п рочностных х а р а ктерист и к .

Масса снст е:-.1 ы п нт а -

37

н и я, кол и ч ество р а бочей среды в труб о п р о в ода х за в и с я т от г а б а ­ р i П Н ui х р а з м е р о в ( д иа м етра и дл и н ы ) т руб о п р о в од о в . П р и п р о с к тир о в а н и и и конст р у кто р с ко й р а з р а б от к е р а кет необ­ хо. : щ ы о производ ить тщател ь н ы й и обосн ова н н ы й п о д х о д к в ы бору

т р у б о п р о водов . Конструкция т рубопр о в од о в должн а удов.'Iе rворять ос н о в н ы м т р еб ов а н и ям , п р е дъ я в .1 я е м ы м к трубо п р овод а :v� . П р п р а с ч е т е 1 1 п р о е к т н р о в а н и и п нев :-.1 огндр а в л нчес к и х с и с тем .ТJ ет а т с л ь н ы х а п п а р ато в необходи м о : о п р е.1.е.'I ить основ ные п а р а м етры т р у б о п р о водов (ди а м етр, дли­ ну, тол щ и н у и т . д . ) ; о п р едел ить весовые х а р а ктер истики т р у б о п р о ­ водов ; о п р едел ить гидр авли ческие п отер и в трубопр оводах ; о п р еде­

п а р а м ет р ы ком пенсаторов ( си л ьфонов) ; провести п р овер оч­ ные р а счеты на п р очность; р ассчитать да влен и е ж ид кости при гид­ р оуд а р е ; р ассчитать п ул ьсации давлений ( колеба н и я ) жидкости в трубо п р овода х .

.тштu

Р асч ет трубо п роводов

Трубопроводы должны п р опускать в еди н ицу в р е м е н и необхо­ димое кол ичество ком понентов топ л и в а с м и н и м а л ь н ы м и п отеря м и д а в л е н и я . Д и а м етры трубопр оводов о п р еделяются секундн ы м и р ас­ ход а м и и скоростя м и движения жидкости и газ а . П р и больш и х с кор остях весьм а з н а ч ител ьн ы гидр а влические сопротивле н и я , пропорцио н а л ь н ы е квадр ату скорост и, п р и м ал ых скоростях - ве­ лпки р а з м е р ы труб о п роводов . Поэто м у скорость движен ия в ж и д ­ костных трубо п роводах обычно со ста в л я ет 6 . . . 1 0 м/с, в га з о п р о в о­ дах 1 0 . . . 20 м/с. Д и а м етр трубопроводов в ычисляется п о формуле

d={ Jt�w

•

( 3. 1 )

где (; - :v� а кс и :v� а л ь н ы й с е кун д н ы й р а схо д ко:v� п о н е н т а т о п ли в а ( но­ м и н а л ьн ы й р асход ком понента в камере сгор а н и я и уветrчение в п роцессе р егулирования ЖР Д ) ; р - плотность ком понента топли­ ва; w - с корость ком понента топлива. Д и а м етр, р а ссчита н н ы й п о фор муле ( 3 . 1 ) , о круг:шется д о бли­ ж а й ш его, п р едусмотренного ста ндарта м и н а стальные f! Л И г люми­ н иевые трубопр оводы. Толщи н а стенки бесшовного трубопровода о п р еделяется по формуле [3]

(3. 2 ) где р - м а ксимальное статическое

С - п о стоя н н ы й коэффициент;

ад -

давление р а бочей жидкости ; допусти мое н а п р яжение в стен­

ке трубоп ровод а . В е л и ч и н а коэффициента С з ависит от п р едпол а г а емого кор р о­ з ион ного износа стенки трубы, а также от м инусового допуска н а то.1щпну стен к и . Д л я кривых трубопр оводов велич и н а С з а висит

38

та кже от н а и большего уменьшения толщин ы стен ки, возн ика ющего в п роцессе изгиба [3] . Толщин а стенки трубопр овода с продольн ы м швом рассчитыва­ ется с учетом коэффициента прочности свар ного шва : 0-

� -

pd

2 <ра,1 +

р

+С

( 3. 3 )

•

З н ачение коэффи циента <р п р а ктически не превыш аст 1 , т. е. fp = = 0,98 . . . 1 ,0.

3� К О Н СТ Р У КЦ И Я Т Р У Б О П Р О В ОД О В

И ЭЛ ЕМ Е Н Т Ы И Х К Р Е П Л Е Н И Я

Трубопроводы состоят из отрезков труб с привареи н ы м и фл а н ­ ц а м и и л и только из труб, т. е. трубопроводы соединяются с по­ м ощью ф л а н цевых соединений или свар кой . Магистр альные трубопроводы верхних б а ков ступеней имеют большую длину и п р и хранении р а кет в гор изонтальном положении м огут прогибаться под действием силы тяжести, а в полете - те­ рять устойчивость под действием осев ы х перегрузок Обычно м аги­ стр альные трубопроводы центр ируются по всей дл ине относите.'lьно тоннельных труб в нижних баках. Н а н аружной поверхности м а ги­ стр альн ы х трубопр оводов уста навливаются центр ирующие в ысту­ п ы, котор ы м и они о п и р а ются на тоннельную трубу. Трубопроводы для подачи низкокипящих ком понентов топлив а (жидкого кислорода, жидкого водор од а и др . ) теплоизоли р уются дл я уменьшения интенсивности теплообмена м ежду низкоюшящим ком понентом и окружа ющей средой. Н а рис . 3 . 1 п р и веден трубо­ п р овод, кото р ы й состоит из трубы 1, фланца 2, ком пенсатор а 5. На н а ружной поверхности трубы н а несен а теплоизол яция 4 и уста­ новлен ы центр ирующие выступ ы 3. Обычно м а гистр ат, горючего изолируется , чтобы п редотвр атить замерзание гор ючего, ecJIИ м а ги­ стр аль проходит через б а к с кр иогенн ы м окисл ителем .

Рис. 3. J . Т р у б о п р о в о д : 1 - труб а ; 2 К О :\t n е н с а т о р

-

ф.1 а н с ц ;

3-

центрирующие

высту n ы ;

� - т с n ., о а зо,, я ц н о н н ш1

cдoii ;

5 -

39

.1

1

13 п н с юю г и д р о с и с тс :\1 а х ш и р о ­

ко п р ю.i е н я ю т с я г и б к и е т р у б о п р о ­

в од ы ( ш л а ши ) . Т а к и е т р у б о п р о ­ в о д ы и с п о.; п, з у ю т с я д л я с о е д и н е ­ I Ш Я то п 1 и в н ы х :·л а ги с т р а .1 е й с д в и ­ г а те.1 ь н о й у с т а н овко й когда у п р а в л е н и е р а ке т о й в п о л ете осу­ ще ст в л я етс я кача н ием всей дви­ г а т е л ыю й установки, а та кже т а м , где п р о и с х од и т з н а ч и т е л ь н о е в з а ­ корпуса и т р убоп р о в одо в и з - з а тепло­ .

,

Р 11 с . 3.2. К о м п е11сатор: 1, 3 - ф .1 :ш с ц ; 2 - с и .1 ь ф о п ; 4 - r 1 1 .% З "

и м н ое пере �1 ещение ч а с т е й в ых р а с ш и р ен и й , а в пцр авл ч ческих систе :\1 а х и х используют к а к д е :\ш ф е р ы пул ь с а ц и й д а вл е н и й вследс т в и е б о л ь ш о й под а т л и вости к и з :\1 е н ен н ю к о н ф и гу р а ц и и и фор м ы . Ком п е нсатор

Ком пенсаторы в систем а х питания двигател ьных уста ново к ус­ т а н а в,rш в а ются на участка х , кото р ы е н а ходятся м ежду ж е с т к и м и опор а м и . Н а р и с . 3.2 П р иведен ком пенсатор, который состоит :из ф л а н цев 1, 3, с и л ьф о н а 2 и гильзы 4 . Гильза отделяет поток ж и д кости о т сил ьф о н а и служит для уменьшения гидр авлических потерь. В н ут• р ен н и й д и а м етр гильзы обычно р а вен д и а м етру трубопровода , а д.:1 и н_а гильз ы выбирается та к, чтобы п р и м а кс и м альных н а груже­ н и я х гильза 4 не у п и р а л ась во ф л а н е ц 3. Основн ы м элем ентом ком пенс атор а является си.пьфон . В п нев· мопцр а вл ических систе м а х жидкостн ых р а кет обычно п р и м еняются м е т а .т т и ч с с к и е сильфоны, облада ющие хорошей жесткостью и уп· р у г ос т ью. С и.r 1 ь ф о н в ы полняется в в иде тон костенной гоф р и ро в а н ной тру· б ы , кото р а я обл адает способностью деф о р м и р оваться в осевом н а · п р а в.1 е н и и и отклоняться в л ю б о м н а п р авлении о т пр одош,ной оси. Д н а м е т р и дл и н а с и л ь ф а н ов не ограничены, что позв9ляет в ш и ­ р о к и х предел а х в а р ьировать величиной осевого перем ещения и жес т к о с т ь ю . Учитыв а я эти свойства сильфонов, компенсатор ы п р и­ меняются для : 1 . Ко:\1 пенсации погрешностей изготовления э л е м ен т ов " снетем п р и установке трубопроводов, т. е. дл я ко�шенсации с о ч ета н и я небл агапри ятного

fJIO

Р 11 с . 3.3. К необходимости компенс аторов

40

применекия

до п у с к о в в р а з м е р но й це п и . К р о м е т о г о , к о �ш е н с а т о р ы п о з в о "1 я ю т соеди н и тu с т ы к у е м ые тр у б о п р о в о д ы п р и и х несоосности, р а в н о й l, а т а кже п р и у гл о в ы х о т к ,1 о н е н и я х о с е й а соед и няем ых т р у б о п р о в о ­ дов ( р и с . 3 . 3 ) . Вел и ч и н ы о т кл о н е н и й l и а з а в и с я т о т х а р а к т е р и ­ сти к с и т,ф о н о в , т . е. от и х дл и н и д и юf етров и т . д . 2 . К о м п е н с а ц и и тем пер атур н ы х и з м е н е н и й (удл и н сн и й ) т р у ба· проводов , а г р е г а т о в и детадей издел и й . Н а п р и м е р , есл и т р у б о п р о • в од , связыва ющий то п л и в н ы й б а к с ТНА , жестко з а кр еплен н а кор· пусе р а кеты . Тогда при тем пер атуре трубоп ровода, отл и ч Е о й 0 1

темпер атур ы корпуса , в трубопроводе возн и к а ют тep l\I И Чei:' K I I C н а ­ п р яжен ия . П р и постановке ком п е н с ат о р о в дефор м а ци и B () C ! J р н н и• м а ются и х с и л ь ф а н а м и и п оэтому н а п р яжен ия в трубо П l'ОВодах з н а чител ьно уменьш а ются . Тонне.1 ьн а я труба п р и в а р ивается непосредственно к отбс ртовке ба ков. Для ком п енсации тем п ер атур н ы х н а п р яжениf'1 тоннел t, н ая труба снабжается ком пенсатором сильфоннаго т и п а . 3 . Устр а н е н и я н а п р яжен и й в трубопроводах, котор ые ВО'-'� !Ш к а ют в р езультате н а гружен и я соединяем ы х устр ойств р а кеты. Т а к, н а• п р я жения в тоннел ьном трубо п р оводе возникают п р и з а пр ;: в к е ба· к а ком понента м и топ л и в а , так как днища б а ков дефо р м и р у ются и вызывают дефор м а ци ю трубопровод а . Компенсатор ко м пе:нсн р ует деф о р м а цию бака п р и п р о г и б а х и растяжен иях. 4 . Гашения колеба н ий, кото р ы е переда ются через трубоп ров оды, 5. Уменьшения интенси вности гидроуд а р а . П р и внез а п н о :-.1 п о в ы • шении д а вления в систе м е п од а ч и ком п е н с а то р ы могут зн з ч ите л ь· н о дефор м и роваться. Сильфаны соединяются с трубоп роводам и с помощью ф.Тi ан ц е в и л и св а р кой . Ф ил ьтр ы

Ф ильтры устанавливаются н а входах в м а гистрали и реду ктор ы . Фильтры отделяют м ех а н ические п р и м еси п р и п рохожден и и газа через капиллярные каналы фи.1ьтрующего м атер и а л а . В l( а ч е с тве ф и л ьтра испод ьзуются м еталлические сетки с о п р еделЕ'н н ы м р аз• мерам ячеек, з а м ш а и м еталлокер а м ика. 3 .3. С О ЕД И Н Е Н И Е Т Р У Б О П РО ВОДОВ

Соединепия трубоп роводов долж н ы обеспечить высокую ге р м е· тичность н п р очность систе м ы питания к а к п р н д е й с т в и и р ti б о ч и х н а грузок, т а к и п р и тр а нспортировке р а кеты. . В систеы а х п и т а н и я п р и м ен яются едедующие т и п ы соед и н е н и й : н е р а зъем ные , р а зъем н ы е и б ыстр оразъе м н ые. Нер азъем н ы е соед и н е н н я - соед и н е н ия т р у бо п р о водов с по­ м ощью с в а р к и и л и л а й ко й . С о ед и н е н и е т р у бо п р о во:юв с н а р • .. ) J"! о су­ щест вля ется с п о м о щ ь ю силi,фон а н л н н е п о с р едствt- J.J н о й с в а р ко й ил н п а й ко й , п о тор ц а м соед и н я е м ы х у ч а ст к о в трубопрово;J.r. в . 41

2

Рис. 3.4. ном:

\

Соед и н е н и е

1 - - т р у б о n р о во;�: ;

трубоп роводов

2 - снпьфон;

с ип ьфо­

3 - трубоп ро-

1 � 0 .1,

Н а рис. 3.4 п о к а з а н о соеди не­ ние трубопр оводов с пом ощью сильфона 2, кото р ы й п р и в а р и в а ется к трубопроводам 1 и 3. Основ­ н ьс\1 преим уществом сильфаи н ы х соеди нений является то, что он и д опус к а ют некотор ы е линейные перем ещени я труб п р и колеб а н и и тем пер а тур ы , а та кже ком п енсируют неточиость их и зготовления . Это особенно важно п р и стыковке отсеков, п р и п р исоединении тру­ бопр оводов к п атрубкам двигателей и п р и п роведении труб внутри бака. С в а р н ы е соединения просты, удобны, легко выпол н и м ы н а п р а к­ тике, обеспечивают высокую герметичность и необходимую п роч­ ность. К недостаткам сварных соединений можно отнести -- н арушение качества и сходного м атер и а л а в области сва р н ы х швов, плохую в з а и м оз а м еняемость отдельных уча стков и агр егатов, уста новлен­ ных на трубопроводе, трудности п р и м онтаже. Поэтом у свар н ы е соединения п р именяют п р и м з ссовом производстве издсл и t. , когда не требуется индивидуал ь н а я подгонка участков трубопроводов и их замена. К ч ислу н а и более р аспростр аненных р азъемн ы х соединений от­ носятся н и п п ельные, ф л анцевые. Н и п пельные соединения целесообразн о применять при м алых д и а м етр а х труб (до 25 м м ) . Н а р и с. 3.5 показавы н екоторые типы н и п пельных соединений трубопр оводов. При малых д и а м етр а х тру­ бопрово дов р а спростр а нено н и п пельное соединение трубопровода с р азвальц овкой. На рис. 3.5, а показано н и п п ельное соединение с п р и п а я и н ы м и и л и п р и в а 1J ен н ы м и н и п п еля м и . Гер м етичность соеди нен и я п р и этом обеспечивается конта ктом ш ар овой повер хности н иппел я с конической поверхностью штуце3 р а . Н а рис. 3.5, б п р иведено со­ J единение с п рокл адкой. Герме­ ти ч ность достигается алюминие­ 2 вой п р окл адкой, з а ж атой м ежду штуцер а м и , которые соединяются Lf н а кидной г а й ко й . 2

,.

42

)

1

б)

:J

_______________________

Р ис.

а - с

3.5. Н и ппельные соед и н е н и я :

сопряже ннс:\1 сферы

н

J\ о н ус ;} : б -

з а м ..

1\ О В О С С ) П .1 0 Т П Н Т СЛ Ь Н О Й П P O I\ Л П ,"J. I\ O i i : f - Ш Т У · З - I J a Ji. O J J C Ч i ! И к ; r a li i.;: a ; 2 - накидная Ц С' р ; -1 - П Р О I\ Л Э Д I\ :а

3

;

ч

б)

Р ис. 3.6. Ф л а н цевые соедине н и я :

2

8)

а - с цел ь н ы �ш фл а нца " и : б - со своб о д н ы м и фл а н ц а :-.ш : в - с ц ел ь � 1 1 о с во б о д н ы м и ; / , 2 - Ф�1 а н ц ы , .З ­ болт ; 4 - п р о к л а дка ; 5 - к ол ь ц а

Ф л а нцевые соединения широко используются п ри больш н х ди а ­ м етрах трубопр оводов (более 80 . . . 1 00 м м ) , особенно в тех сл у ч а я х, когда в трубопроводе необходимо поста вить фильтр , м е :-.1 бr а ну, дроссел ьную ш а й бу, кл а п а н . О н и могут быть с цельн ы м и , с в о бо д­ н ы м и и цельноевободн ы м и ф л анцам и . Н а р и с . 3 . 6 показа н ы неi\О­ тор ые типы фланцевых соединений. Гер м етичность соединси пя до­ сти га ется дефор м а цией прокл адки при затяжке болто в . В I\СiЧестве м атер и а л а п рокладок могут применяться м я гкий алюм и н и й , л а­ тунь. Н и ппельные п ф л а нцевые соединения несмотря н а сложность констр укции дают возможность упростить монтаж топл ивных си­ стем . Основн ы м недостатком таких типов соединений явл яетLя воз­ м ожность осл аб.ТJения резьбовых соединени й п р и транспор mровке и х р а нении р а кет. Б ыстроразъем н ы е соединения используются для р азъединения или соединения трубопр оводов р а кеты и н аземного о борудова ния и л и трубоп роводов отдельных ступеней многоступенчатых р а кет. Иногда р азъем н ы е соеди нения выпол н я ются с кл а п а н н ы м н м еха­ н и з м а м и, гер м етизирующие концы м аги стр алей после расс r ы ко вки. 3.4. В Ы Б ОР ДИАМЕТ Р О В ТРУ Б О ПРО В ОД О В

В а жн ы м и элем ента м и ж идкостн ых р а кет я в л я ю ·r с я р г з .1 п ч н ы е трубопроводы . Ком поновка , р асчет и подбор т р у б о п р о в о � о в осу­ ществляется кажд ы й раз в з а в исим ости от общей r; o ы rr o н t) l3 1\ r r о с ­ н ов н ы х узлов и р а кеты в цепом. О б ы ч п о под б и р а ют и р а с r: ' I Р т ы в а ­ ют трубоп роводы, и сходя из допустимой с ко р ости движ·.' н r r я :: (J н и м г азов н лr жид,костны х ком понентов топл и в а . В р а бот а х [33. G:1 j р е ­ ком ендуется выбир ать скорость движен ия жидкости 6 . . 1 О :-.: . с . .

43

Размеры внутренних диаметров трубопроводов необлодимо вы ­ бир ать из условия создания р а кеты н а и м еньшей м а сс ы . Уменьше­ ние диамет р а трубопровод а , с одн о й сторон ы , п р и ноднт к ум е н ь­ ш е н и ю м ассы трубопровода, а з н а ч нт, и к у м е н ьш е н и ю м ассы р а ­ кет ы ; с другой стороны, к увеличен и ю поте р ь давления, а з н а ч ит, к увеличен и ю м ассы топливного бака, так ·ка к дл я ком пенса ции п отерь давления в трубопроводе необходимо увеличивать дав.Тiение в б а ке. Увеличение давления в б а ке ( и л и другой ем кости ) п р иводит к увед ичению м ассы р а кеты в целом . О птим альное зн ачение ди а­ метр а трубопровода (скорости движения ) выбирается с точки зре­ ния получения м и н и м а льной м ассы с истем ы

( 3 .4 ) где Gб - м асса топливного б а к а ; Gp - м асса р а бочего тела н адду­ в а ; Gт - м асса трубопроводов . Масса топливного б а к а ( 3 .5 )

Pmin = Pб m i n р Н ' гд е ад, р - соответственно допустим о е н а пряжение и плотность м а­ тер и а л а стен ки б а к а ; d, l - соответственно ди а м етр и дл и н а цилин­ дрической ч асти б а к а ; Ар - гидр авлические потер и давления в топ­ ливной м а гистр а л и ; тб - коэффициент, учитывающий о бъем газо­ вой «подуш ки». Массу трубопровода Gт, п р иведеиную к постоянному диаметру dт проходиого сечени я трубопр овода, можно п р едстав ить в в иде -

От =

2

:rtd,J п p P -

2:r Jl

(Pmin + t::.p ) = Bd2 (Pmin + Ap),

где lп р = 'r.Gт 11 1 - приведеиная дл и н а

трубопровода ;

( 3. 6)

Gт i - м асса

Or i- г о уч а с т к а трубопровода ; Gп - м асса погонного м етра трубопро­

вода диаметром dт . Масса р а бочего тел а н аддува 0

_

р-

Vб

(RТ ) эфф

( Pm in

+А

*

Р п р Vп

р ) - (RТ)эФФ

С( +А Р) Pmin

Р п рVп

-

(RТ)э фф

( 3 .7)

О· Vб = тб -�- ' Р1

где Oi, р ; - с о от в е т с т ве н н о м асса и плотность ком понента топ .ТJ и в а ; р�р, V11 - с о о т в е т с т в е н н о д а в л ен и е п р ед в а р и т е л ь н ого н а д ду в а п о б ъ ­ ем га зов ой п од уш кп ; ( R T ) аФФ - эффекти в н ая р а ботос п осо б ност ь г а з а в н у т р п б а ка . С кор ость дв п .ж е н и я

бопр о в о д а

44

.ж п д rш с т и

в р ассм атрив аемом сечешш тру­

W=

--Лdт Pt1tdт 4G t - = 2

4V -- = 2

dт

2

D

( 3 . 8)

•

А нализ существующих систем подачи показыва ет , ч т о д ля р а кет ­ н осителей , и меющих б о льшую нап р яж е нност ь р а сход ны х тр у бо пр о ­ -в од ов , п о тер и н а т р ение , м ест ны е и п о тер и н а создан и е скор о сти * и м еют ве д ичину одного по р ядка . Для с ист ем п ода ч и двига т ел е й , ис ­ п о л ь зуе м ых н а в е р хних с ту пенях р ак ет , поте р и н а т р е н и е п о ч т и в д в а р аза меньше сум м ы м естных поте р ь и пот е р ь н а со зда н и е с ко ­ р ости. П о э том у п р и в ы б ор е оптим альн ых р азме р ов т р убоп р о в одов н е­ <О бходимо р а с см атр ивать с ледующи е дв а слу ч а я . Первый случай, когда сумм а местных потерь и потерь на создание скорости значительно больше потерь н а трение, т. е.

( 3 . 9)

!J.p = (; + 1) -pw2 = aw2.

'ТОГда

2-

nодставляя выражения (3.5) ' (3.6) и (3.7) в уравнение (3.4) (3.9) , получим

а = ( А + Вdт2 + С) (

Pm t n + а

D2 ) -

с

учетом ( 3.8) и

*

d:

Pnp Vn

(RТ)зфф

_ а = (А + BDw-l + С) (Ptni n + aw2) - _....;:. ... (RТ ) зфф *

Р црVп

(3 . 1 0) (3 . 1 1 )

Второй случай, когда потери н а трение, местные потери и на создание ско­ [рости одного порядка, lп р

w2 . w2 p + Л - -pw 2 = aw2 + b !J.p = (e + I) -dт dт 2

2

(3 . 1 2)

Из уравнений (3.4) . . . (3.7) с учетом выражений (3.8) , (3.9) и (3. 1 2) , лучим

, D2 + ) - __..::._... dт dт (R Т )зфф 2 а = (A + BDw-I + C) (Pmt n + aw2 + D�� ) - (RТ ) зфф

а = (А + Вd2т + С) (

Рm l п т а

4 -

D2 5 Ь Ь

Р"'прVп

5

Р *п р v "

по­

(3 . 1 3) (3 . 1 4)

Дифференцируя уравнения (3. 1 0 ) и (3. 1 3) по dт, уравнения (3. 1 1 ) и (3. 1 4 ) по w :и nриравнивая д G/дdт = О (или дG/дw = О ) , м о ж но nолучить уравнение для оn­ ределения о п тп м а л ь н о го диаметра трубопровода . *

.

Включение скоростного напора в гидравлические nотери имеет условный и сд е 1 а н о с целью упрощения расчета.

характер

45

Гл ава

4

Т О П Л И В Н ЬI Е БА К И

4. 1 . Н А З Н А Ч Е Н И Е Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В. ОС Н О В Н Ы Е Т Р Е Б О В А Н И Я И ЗАДА Ч И П Р О Е КТ И Р О ВА Н И Я

Топливные баки-ем кости п р едназначен ы для р азмещен и я : 1 ) за д а н н ы х м асс горючего и окислител я ; 2 ) вспомогател ьного жидкого р а кетного топлива, которое необ­ ходи мо для р а боты вспомогательных систем и а грегатов д в и гатель­ ной установки; 3 ) газообр азного р а бочего тел а, необходимого для наддува то п ­ ливных б а ков и обслуживания системы управления р а кеты . Е м кости, в которых хр а н ятся горючее и окисл итеJlЬ, н а з ы н а ют осно вн ы м и то п л и в н ым и ба к а м и дв и га тел ьно й уста но в к и . В зависи ­ мости от способа пода ч и ком понентов топлива из б а ков в к а м еру сгор ания р а кетного двигателя р азлич а ют два основн ы х типа ба ков. Н а г р у ж е н н ы е т о п л и в н ы е б а к и ( б а к и в ы сокого дав­ лен и я ) при р а боте р а кетного двигателя н а ходятся под высоки;_�.t. д а в­ .'lением подачи ком понентов топлива. Та кие баки п р именяются пр и вытесн ительных систем ах подачи. Масса баков высокого да в.1Iения составляет, п р имерно, 20 ... 30 % от м ассы р а кеты без топJш в а . Р а з г р у ж е н н ы е т о п л и в н ы е б а к и ( б а ки н из кого дав­ лен и я ) при р а боте р а кетного двигателя н а ходятся под небольшим давлен ием . Т а кие топливные ба ки п р именяются в систем а х подачи топлива с ТН А . Величина давления в баках выбир ается пз условия обеспечен ия устой чивости б а ков и бескавитационной р а боты н а со- . сов. Б аки низкого давления п росты в конструктивном отнuшен ии. Масса б а ков н изкого давления составляет м а л ый п роцент о-:- обще й: м ассы р а кеты . Топл ивн ые баки баллистических р а кет с ЖР Д являются состав­ н ы м и элементами кор п уса р а кеты и ч а сто служат силов ы м и элем ен­ там и конструкции р а кеты , т. е. воспр и н и м а ют внеш н и е н з грузки,. возника ющие п р и полете и п р и э ксплуатации . Такие б а к и I!азыва­ ются несущим и б а к а м и . На р и с . 4 . 1 п р н веде н а п р и н цн п и ал ь н а я схе м а иен есущего б а к а . Такие б а ки в ы полняются в виде изол и рованных ем костей , п р и кр е п ­ лен н ы х к кор пусу р а кеты 2. Н а иенесущие ба к и дей ствуют С И Jl Ы внутр еннего д а влен ия и ср а в н ител ьно нсбол ь ш и е осев ы е силы ( р астя г и в а ющие 1 1 л 1 1 сжи м а ющие в з а висимости от х а р а кте�а креп­ .пен н я баков) . Н а р ис. 4 . 2 п р н ведена п р и н u и п и а л ь н а я схем а несущего бака. В таких б а к а х боковая оболочка одновременно является на ружной: 46

z з

м

а

"t

и 1 i' и с. 4 . 1 .

1 -

С х е м а иенесущего ба ка:

) з ел к р с п ,l е н и я б а к а ; 2 - к о р п у с р а кет ы ; 3 - б а к

'Р и с . 4 .2 . С х е м а несущего б а к а : М, U и Q - и з ги б а ю щ и й -ру к ц и е й н е с у щ е г о б а к а

моме нт,

осе в а я

и

персрез ывающа я

силы,

восп р и н и м а е м ы е

ко нст ­

-оболочкой р акеты и силовым элем е нтом , восприним ающим пр о ­ дол ьные силовые н а груз ки и изгибающие моменты, де йствующие н а р а кету в полете и п р и назем н ой эксплуатации. В н астоя ще е время широко применяются несущие баки, та к ка к :пр и э том уменьш ается м ас са р акеты. Иенесущие баки имеют преимуще ства при компоновк е р ак еты , ·к тому же их удобно теплоизоли р ова т ь , поэтом у они н ашли приме :нение н а верхних ступ енях мощных р ак ет-носителей. Несущие топливны е б аки, как пр авило, б аки о сновного т о п ли ­ :ва - р аз м ещаются н а р а к ете сам ым р азличным способ о м . Отсеки р акеты, в кото р ых р азмещаются ба ки с основным и ком ­ nонент ам и топлива, н азываются топливным и от секами . ·

О снов ные тр е бовани я к то пли вны м б акам

К топливным б а кам любого тип а и констру кции п редъяв л яются �ледующие основные тр ебов ан ия . 1 . Миним альн ая м асса топливного бака. 2 . Кон струкция баков, а та кже м ат ер иал для их изготовления д олжны определяться из условия миним альной м а с с ы б а ка. 3 . Б а к и должны обл адать достаточной м е ханич ес кой п р очностью, чтоб ы в ыдерживать одновременное воздействие в нутр енн е го избы ­ точ ного давления, осевых н агрузок и изгибающих моментов. 4 . М атер иалы дл я изготовлен и я баков должны им еть вы сокие меха нические свойств а и м алую м ассовую плотность. 5 . Б а ки , их детали и сбор ка должны быть пр осты м и по конст ­ р укции, технологичными в изготпвлении и удобным и для сбор ки 47

в р а кете. Места соединения б а ков м ежду собой и с оста.1 ь н ы м и узл а м и р а ксты должны обеспечивать требуем ую соосiюсть. 6. Конструкция б а ков и подводящи х трубопр оводов до.1жна обеспечивать удобную з а п р авку их ком понента м и топл и в а . 7 . Несущие б а к и должн ы и м еть п л а в н ы е обводы , соответству­ ющие обвода м р а кеты . П р и установ ке и х на р а кету о н и до.1жны быть р а змещ е н ы по одной оси. 8. Б а ки до.1жны быть устойчив ы м и п ротив кор розии , особенно п р и р а боте двигател ьной установки н а агрессив н ы х ком п о н ентах топд ива, когда ком поненты топлива длитед ьное время х р а н ятся в топливных б а ках . 9 . Кон струкция внутр и б а ковы х устройств и з а борных у стройств должна обеспеч иват ь н адежн ы й забор топли ва и м и н и м альное ко­ л и чество н ез а бор а ком понентов топл и в а . 1 О. Конструкция б а ков и их относительное р а с пОJюжение н а р а­ кете должны быть т а ковы м и, чтобы пере�ещение центр а м асс р а ­ кеты в полете было м и нимальн ы м . 1 1 . Конструкция б а ков должна и меть устройства , позволяющие уменьшить колебания топлива в баках во время возмущенн ого по ­ л ета р а кеты . 1 2. Н едефи цитность м атер и а лов, п р и м еняем ы х пр!! изготовл е ­ н и и б а ков. З ада ч и прое ктиров ания топл ивн ых б а ко в

П р и р асчете и проектиро в а н и и б а ков необходим о : определить потребный объем б а ков ; выбр ать их геом етр ическую форму; выбрат ь и о босновать ком поновку топливных б а ков н а р а­ кете ; определить состав а р м атур ы и трубопроводов; р ассчИl ать ос­ новные п а р а м етр ы арм атуры и трубопроводов для каждого б а ка ; в ы б р ать тип н асадка для ввода газа н аддува ; выбрать т и п забо р ­ н ых устройств ; определить весовые х а р а ктеристики то пли в н ых ба­ ков. Объем б а ка должен быт ь р ас с читан не только для р азмещения КIJм понентов топлива, но и .должен быть достаточным для ком п е н­ сации возможн ы х изменений объем а ком понентов топлива п р и из ­ м е нении их тем ператур ы . Н а а ктивном уч астке траектор ии из-за выгор а н и я топли в � це н тр. м а с с р а кеты перем ещается н аз ад вдш1 ь оси р а кеты . Для уl\Iен ь ш е ­ н и я величины перемещен ия центра м асс р а кеты испоJ1 ьзуют сту пе н ­ ч атое опорожнение топл ивн ых б а ков. С н а ч а л а опорожняе•ся ком­ пон ент из задней ч а сти бака, а з атем - из передней . Поэто м у д ля секцион н ых топшш н ы х б а ков необходимо проектировать систему перел ива , т. е . в ы б р а т ь оnти м а л ьное р азделение объем а ба ка н а отсеки и р аз м ер ы переди вной трубы, а т а кже р ассчитат ь п роц е с с перешш а . П р и па кетной Iюм поновi<е топдивных баков н еобход и м о обес п е ­ чнть синхр о н н ое о п у с к а н и е уровней ком понентов в б а к а х , т . е . си­ стем а синхрон изации должн а обеспечить одновременную выр а бот-

48

il) Рис. 4 . 3 . Схе м ы рас:положеюt я баков:

а, d - р а зд е л ь н о е ; баки

б,

в - о б ъ с;�. н н с н н о с ;

г - концентрическое;

е) д-

св я з к а ;

е - с n и р а л ы J ы е­

ку компонентов из всех блоков р а кеты. Поэтому н а эта п е п р оекти­ р о в а н и я п а кетн ых схем б а ков н еобходимо производить т а кже р ас­ ч ет з а кольцовки б а ков, т. е. выбр ать: геом етр ические р азмеры м а гистр алей з а кольцов ки по газу; геометрические размеры м агистр алей з а кол ьцовки по ж идкости ;. р а з р а ботать устройства для управления положен ием ком п онентов топлива внутр и б а к а , т. е . выбрать дем пфи рующие устrюilств а ; р а з р а ботать устройства, обеспечива ющие з а пуск двигате;rуьнок установки как в условиях н евесомости, т а к и в хсловиях действия отр ицательных и боковых перегрузок. 4.2. РА С П О Л ОЖ Е Н И Е БА К О В Н А РА К ЕТ Е .

ФОРМЫ ТОПЛ И В Н ЫХ БАКОВ

Б а ки на р а кете могут р аспол агаться са м ы м р азличным спосо­ бом . В ы бор схем ы компоновки топливных баков диктуется устойчи­ востью р а кеты при полете, технологичностью изготовле н и я и сбор­ ки, удобством з а п р а вки б а ков ком понента м и топли в а , безоп а с­ ностью п р и длительном хранении з а п р авлен н ы х р а кет и м а ссовы­ ми х а р а ктеристикам и б а ков. , Взаим ное р асположеипс б а ков окисл ителя и горюч его ч асто опр еделяется условиям и центровки. В некоторых слу ч а н х п р п р а з ­ м е щ е н и и б а ков учиты в а ется та кже требов а н и е созд а н и я н а п о р а н а входе в ТНА д л я обеспечен ия беска витационной р а боты н а соса окисл ителя, потребное давление у которого обычно большt>, чем дл я горючего. Поэтому п а многих р а кетах р аспо.1ожсние б а ков окислителя в ы ш е б а ков гор ючего. Н а рис. 4 . 3 пр иведсны возможные схем ы ком поновки топ.1 ивных б а ков.

Н а иболее р а спростр а ненная схем а в ы полнения б а ко в - та к на­ зываем а я схем а раздельного р а сположения б а ков для горючего и окисл ителя . Н а р ис. 4.3, а п р иведена схем а с последов а тельным р а с­ положением ба ков ( «б а к з а б а ком » ) . Изготовление и сбор ка та ких б а ков, конструктивное офор мление узлов з а п р а в ки и с а м а з а п р а в ка б а ков топлива ком понентам и осуществляются достаточно просто. Систем а безопасна п р и длител ьном х р а нении и э ксплуатаци и. По условиям орочиости б а ки и меют сфер ические днища , м ежду кото­ -р ы м и остается некото р ы й н еиспользуемый объем . Обычно для :уменьшения р азмеров р а кеты в этом простр а нстве р азм ещаются п р иборы и а гр егаты. Для уменьшения длины и м ассы р а кеты и спользуют несущие -топливные отсеки с промежуточным днищем, р а зделяющим топлив­ ный отсек н а две ч а сти : под окисл итель и горюче е ( р ис. 4.3, б и в ) . Т а кие тошшвные отсеки сложн ы в производстве, кром е того тр ебу­ ют повышен ного внимания к геометр ичности промежуточного дни­ ща . Для повышения герметичности промежуточного днища пр ихо­ дится ставить двойные днища. Сборка б а ков с двойн ы м и д'-шща м и довольно з атруднительна. Н а рис. 4.3, г приведен а п р и нципиальная схем а р асположения -<<б а к в б а ке» . Пр и концентр ическом р а с положении б а ков им еет ме­ сто высокий коэффициент н аполнения, но б а ки сложн ы в изготов­ .лен ии и менее безопасны в э ксплуатации. Та кие б а iш использова­ .лись · на а м е р и ка нских р а кет а х «Эр л и кон» и «Тайфун » [33]. В ыиг­ рыша в м ассе такая схем а р асположен ия б а ков н е дает. Ц илиндрические топл ивные баки н а р а кете могут р а спола гать­ ся последователi>но и в виде связ·ки . На рис. 4.3, д показана прин­ ципиальная схем а р а здельного р а сположения б а ков в виде связки. Та кие схем ы р асположен ия б а ков п р и меняются в двигательных ус­ -тановках больших тяг и п р и использова н и и м ногокамерных ЖР Д. Н а р а кетах-носителях «С атурн- 1 » и «С атурн- 1 В» испол ьзуется •с вязка из 9 б а ков, а на р а кете «В осток» п а кет состоит из четырех коническо-цилиндрических б а ков и и центр ального цилиндрического { 27, 4 1 , 44]. На р ис. 4.3, е п р иведена принципиальная схе м а р асположения спиральных б а ков . В р а боте [65] описана конструкци я спира.Тiьных б а ков. Одн а ко спир альные баки из- з а большой м ассы н е и м еют больших перспектиn для п р и м енения. Фо р м ы топл ивных баков

Ф о р м. а топ.11ивных б а ков зависит от м ногих ф а кторов : в ида топ­ лива, фо р м ы р а кеты и компоновки отдел ьных агрегатов. В настоя­ щее врем я ш ироко используется цилиндрическая фор м а топ.Тiивно­ го б а к а . В тех случ аях, когда оболоч ка б а ков является н а ружной поверхносп,ю р а кеты . фор м а п х определяется кон гур а м и р а кеты. Н а п р и м е р , д.тJЯ по.тJучения н юшучш е й аэроди н а м и ческой фор м ы кор ­ пуса б а к а м , п р и м ы к а ющим к головJiой ч асти, иногщ1 п р ид а ют ко­ ническую и л и кон и чссiю-цилиндрическую форму. Длина, м асса ба-

50

n а)

д)

5)

Р и с. 4 .4. Ф ор м ы топл и в н ы х баков:

а - с ф с р и ч с с к о · к о н и ч с с к а я ; 6 - с ф е р и ч е с к а я ; в - т о р о и д а .1 ы1 а я

ков та кой фор м ы ОI<азываются больше, чем б а ков цшш нд р ическок фор м ы той же ем кости ( р ис. 4.4, а ) . В ы бор фор м ы топливного ба ка - задача сложн а я . Jl у чшей фор­ мой топли вного б ак а будет такая фор м а , кото р а я п р и п р о11их рав­ ных условиях обеспечивает создание двигател ьной установ ки, а з н а­ чит, и в целом р а кеты , м и н им альной м ассы . Известно, что даль­ н ость полета р а кеты в поле зем ного тяготения п р и н а л и ч и и атмо­ сфер ы зависит не только от отношени я J.tк = Go/Gк, но и от фор м ы р а кеты (соотношен ия длин ы, ди аметр а и фор м ы очертани я ) . По ­ этом у не всегда наилуч ш а я с точ ки зрения н а им ен ьшей м асс ы фор­ ма б а ка ( ш а р ) м ожет обеспечить н а и большую дал ьность. В связи с этим н а илучш а я форма топливн ы х ба ков оконч ател ьно м ожет быть в ы бр а н а л и ш ь путем ср авнительного анализа и р а сче­ т а оптим альных п а р аметров в а р и а нтов р а кет с р аз.'lичным и по фор­ ме топливными бакам и . Ц и л индр и ч еские топл и в н ы е баки . Самой п ростой формой fiaкa я вляется цилиндр ическая . В настоящее время цил индр и ческие фор­ мы б а ков являются н а и более р аспростр анен н ы м и . ОсновнЫ!IШ до­ стои нств а м и таких б а ко в яв.1я ются простота конструкци и ; удобство сты ковки отсеков и техн ологии п р оизводств а ; в озм ожность изготов­ ления б а ков большого объем а п р и м инимальном попсречно�t се­ чен и и . Цилиндрические б а к и н а р а кете могут п р и м еняться в вид е связ­ ки ( п а кета ) ( р ис. 4.3, г ) . Сф ер иче с к ие то пл ив н ые баки . Шаровая фор м а б а ка и �t еет м и­ н и м а л ьную поверхность и м и н и м альную м ассу. Д .1 я с ф ер п ч r с ю 1 х б а ков отношение м ассы к о бъему оста ется постоя ю J Ы l\1 ( н сз а впс и ­ м о от их р азмеров ) . Н а р ис. 4.4, а показан топл и вн ый отсек, кото р ы й состоит п з двух р а здел ьн .,Iх б а ков сферической фор м ы . Иногда д.а я умен :,шен пя 51

:массы целесообразно прим енять сферические баки с общим проме­ жуточным днищем ( р ис. 4.4, 6) . I-Iагружен н ы е баки сфер ическо й фор м ы обл адают н а илучш ими прочностн ы м и свойствами, поэтому о н и применяются, когда внут­ реннее дав.7Jение в ба ках велико. Сфер ические баки целесообр азно п р и м енять в двигательн ы х ус­ "!'ановках : м а л ы х тяг с вытеснительной системой подачи, которые широко испол ьзуются в косм ических л етательных а п п а р атах и nерхних .ступенях м ногоступенч атых р а кет; больших тяг, когда выигр ы ш в м а сс е з а счет форм ы б а ка суще­ ствен н ы й . Сфер ические баки целесообр азно прим енять п р и использов а н и и низко юшящих компонентов топлива ( ж идкого водорода, жидкого кислорода ) , так как сферический бак при оди н а ковой ем кости с nилиндрическим имеет меньшую поверхность и , следо вательно, м а с­ -с а его теплоизоляции будет м еньше. Кр оме того, при оди н а ковом давлении н аддув а м асса сферического б а ка м еньше, чем ци.шндр и­ ческого . Недостатком сфер ических б а ков является : неполное и спользование объе м а р а кеты ; п р и р авных запасах топливных ком понентов поперечные р аз­ меры р а кеты со сферически м и б а к а м и будут значительно больши­ ми, чем р а кеты с цили ндричес ким и б а к а м и . Други е ф о р м ы баков . Нар яду с баками цилиндр и ческой и сфе­ р и ческой формы н а космических летательных а п п а р атах и верх н и х .ступенях составных р а кет широко используются и д р у г и е ф о р м ы б а ков, а именно : тороидальная (см . рис. 4.4, в) , чечев и цеобр азная и «утопленной» конструкции, в кото р ы х камер а двигателя к а к б ы <<утоплен а » в б а ке . Н а последней ступени сост авной р акеты, а также н а косм иче­ -с ких летательных а п п а р атах возможно применение топливного от­ сека в виде тор а . Такая схе м а топливного отсека позво.7Jяет умень­ ш ить г а б а р итные р азмеры р а кеты ( ее длину) и ком п а ктно р аспо­ ложить р азличные узлы и агрегаты, хотя м а сса р а кет будет не­ сколько больше, чем при п р и менен и и цилиндр ических ИJlИ сфер иче­ ских б а ков. Н а р ис . 8.2, ж приведен а п р инципиальная ·схем а «утоп­ ленной» конструкции б а к а . Такая конструкция топливных б а ков по­ звол яет лучше и спользовать объем р а кеты. Н а ступени S-2 р а кеты «С атур ю> используется бак чечевицеоб­ р азной фор м ы ( р ис. 4 . 5 ) . В баллистических р а кетах больших дальностей, кром е I<р а й них днищ, о г р а н ичив ающих б а к, в конструкцию б а к а J.fюжет входить дополн ите.1ьное днише, делящее б а к на два отсека ( р ис. 4 .6) . Вслед­ стви е р асходова н и я топли в а центр тяжести летящей р а кеты пере­ м ешается п о о си н а з ад, что н а рушает устойчивость р а кеты и ус­ ложняет р а боту его рулевых органов. В р азделенных на два отсека б а к ах сначала в ы р а б атывается топливо, н а ходящееся в з аднем отсеке. В ы ходное отверстие в пром ежуточном днище п р и этом пе-

52

Рис. 4. 5 . П р и н ц и п иальная схе м а ступ е н и S-2 ракеты « Сатур н • :

l - т р у б о п ровод отвода п а р о в о к и сл и т е л я ; 2 - т р у б о п ровод п од а ч и горючего в п е р и ф е ри й­ н ы й д в и г а т ел ь ; 3 - б а к г о р ю ч е г о ( ж и д к и й водор од ) ; 4 - б а к окислителя (жидкий кисло­ р од ) ; б т рубопровод отвода п а р о в г о р ю ч е г о ; 6 - г о рл о в и н а дл я з а п р а в к и и слива горюче­ г о ; 7 - т р у б о п ровод пода ч и горючего в це н т р а л ь н ы й д в и г а т е л ь ; В - рама крепления цс нт ­ ;р а л ь н о г о д в и г а т е л я

-

рекр ыто специальным клап а ном перелив а , и поэ тому т опливо, нахо­ дящееся в переднем отсеке, н е р а сходуясь, « т ормози т » д вижен и е центр а тяжести р а кеты . По достижении т опливом в заднем от секе :н екотор ого з аданного уровня или по ком а нде от врем енного меха­ низ м а откр ы вается кла па н перелив а и топливо из переднего о тс е к а :через трубу перелива поступает в за д ний отсек бака . Труб а пер ели­ в а необ хо дим а для создания сп л ош� о й с тр у и то п л ива . Ст упен ч а тое опор ожнение топливного б ака требует п ри м ене н ия ряда дополнительных устройств ( промежуточн ых днищ, кл а панов и т. д . ) и поэтому оно такж е увел ичивает пассивную м а ссу р а кеты. Промежуточное днище утяжел яет топливный бак, п о э т ом у ero п р им е н я ют в т е х случаях, когда орга ны упр а вления не обе сп ечи ­ в а ют ста билизацию р а кеты . Ф о р м ы дни щ б аков . З ада ч а выбор а формы и раз меров д нищ цил ин д р и че ских топл ивных б а ков - одн а иЗ отв е тс тв ен ных з адач пр и проекти р ов а н и и р а кет. Фо р м а днищ в ы б и р а е тся из условия о беспечени я миним альной м ассы, п ростоты изготовления, обеспе­ чения более плотного з а полнения объем а р а ке т ы . 4 .3. А РМАТ У РА Т О П Л И В Н ЫХ БА I( О В

Топл ивные баки п р едст а вляют собой сл о ж н ы е агрегаты, осна ­ щенные р азлич ны м и устройств а м и : уст р ойств а м и дл я з а бор а топлив а ; демпфе р а м и кол е б а н и й .ж ид­ кости; систем а м и контроля уровня; датч и к а м и систем одноврем ен­ ного о п о рожнен и я б а ков ; з а п р а воч н о-слив н ым и и д р е н а ж н о-п р ед о ­ хран ител ьн ы м и кл а п а н а м и ; устройств а м и для ввода в б а к газа над-

53

1> ис. 4 . 6. Схе м а б а к а с n ромежуто ч н ы м д н и щ е м

дув а ; реле давлен ия ; люка м и - Ji аза м и ; штуцера­ ми, фланцам и и другим и элемент а м и . Р ассмотрим некотор ые из н и х . Дрен ажны й к.Тi а п а н служит дл я с б р о с а из ба­ ка газ ов и п а р ов компонентов топл и в а п р и за­ пр авке. П р едохр ан ительн ый кл апан - дл я сброса избы­ 1 т очного давления из свободной подуш ки б а к а п р и повы шении т е м пе р атуры компонентов топл ива в процессе хра нения запр авлен ного б а к а , а т а кже сброса избыточного кол и чества газа н а ддува п р и р а боте дви гател ьной уст анов к и . Ч а сто дрен а ж н ы й и предохран ительный кл а пан объедин я ют в один дренажно- п редох р а н ительн ый. У с т р о й с т в о д л я п р е д о х р а н е н и я б а­ к а о т п о т е р и у с т о й ч и в о с т и ( с кладывания б а к а ) из-за р азряжен ия давления внутр и б а к а п р и колеб а н и я х те:vш е р а ту р ы окружающей среды. Существующие кон струкции топлив н ы х б а ков достигают р а з ряжения не более 0,0 1 . . . 0,02 М П а . Эти систе м ы и ног­ да н азывают систем а м и «дых а н и я » . 3 а б о р н ы е у с т р о й с т в а б а к о в . В конце р а боты двига­ тел ьной установки возможно временное оголение з а борного устрой­ ств а в р езул ьтате : действ ия инерционных сил при м а невре р а кеты ; провала уровня компонента топлива. Провал уровня ком понента топл ива н а блюдается п р и понпже­ нии уровня до величины Нкр из-за обр азова н и я вор о н к и . Ко:шч ест­ во компонента топлива в б а ке в момент провал а уровня относптся к остаткам топлива незабор а . В г л . 8 р а ссмотр ены основные ти пы з а борных устройств. Устр ойств а для ввода газа н адду ва в б а к. ( Н асадки д.1 я ввода р а бочего тела в б а к ) . Н а рис. 4 . 7 п риведены некоторые п р и ншши­ альные схем ы топливных б а ков, а та кже возможные в а р и а нты ус­ тановки н а садков для ввода в б а к газа н аддув а . Н а р и с . 4 . 8 п р иведены возможные в а р и а нты н асадков д л я ввода в бак газа н аддув а . Н а садок А ( рис . 4.8, а ) состоит и з цилиндр ического трубопро­ вода 1 и конического р астр уба 2. Тор ец трубопровода 1 з а г.1ушен, н а бо ковой поверхности его р а вном ерно расположены от верстия диаметром 3 мм. Ко нический р астру б 2 п р едох р а н я ет обеч а й ку и верхнее днище .бака от напр авленного действ и я струи г а з а н а дJ.ув а . Н а с а до к Б ( р и с . 4 . 8, 6) состо пт и з двух конусов, нес шi м е1 р н ч но­ го 4 и с и м м ет р и ч н ого 2. Неси м м етр п ч н ы й Iюнус п р едох р а н Я Е т обе­ ч а й ку и днище б а к а от п ря м ого попада н и я струи газа н а дд у ь а . В вод газа н аддува в полость м ежду ковус а м и осу ществл я ется ч е р ез ста ­ кан 3.

1

��

54

Бак е.орючего

бок о кислителя

Бак е.орючего

!Рис. 4.7. П р и и цип иальиые с х е м ы топл и в н ы х отсеков

Насадок В ( р ис. 4 .8, в) по конструкции аналогичен н асадку А , отличается о т него только геометр ическим и р азмер а м и и количест­ вом отверстий . Насадок Г ( р ис. 4.8, г ) состоит из цилиндр ической трубы 1 , ко­ нического отр ажателя 5, конического р а струба 2 и тар ельчатого 4

2

г)

J

2

.J

'

f))

Рис. 4 . 8 . П ри и щш и а л ьи ы е с х е м ы насадков ввода газа в топтrвн ы i! б а к :

а - н а с а д о к А; б - п а с а до к Б ; в - н а с а д о к В ; г - п а с а д о к Г ; д - н а с а д о к Д ; 1 - трубо· п р о в о д ; 2 - к о ш J ч с с J.; н ft р а с т р у б ; 3 - ц и л н н д р н ч с с ю i fi с т а н: а н : 4- н с с и м м е т р п ч н ы й кониче ... crш i! р а с т р \' б; 5 - к о п п ч е с rш ii о т р а ж а т е.1 Ь ; 6 - т а р ел ь ч а т ы й о т р а ж а те.� ь ; 7 - р е б р а ; 8 - то­ р о в а я труб а ; 9- о т р а ж атель

55

Р и с . 4 . 9 . С х е м а у с т а н о в к и м а r оtстр а.• и в е р х н е г о дни щ а : r o p ю ч t· r o ; - т р ) б о п ровод

2 о J..: н сл 1 п е .1 я ; 1 - т р ) бuп ровод T O I I I I L' ,П ЬI Ш H T p ) (i a ; .J - С Н �1ЬфОН

3 -

от р а ж а т е.1 я б. Т а р ель ч а т ы й о т р а ж а те 1 ь с по­ :-.ю щь ю ч е т ы р е х р е б е р 7 креп и тс я к о б т е к а те ­ .1 ю. К он с т р у к ц и я н а са д к а п оз в о л я е т з н а ч и ­ тел ь н о с н и з и т ь с ко р ость в х о д а г а з а н а д д у в а в .

бак.

1

К ол ь ц е в о й н а с а док Д ( р ис. 4.8, д ) состоиr

торовой трубы 1, н а пов е рхно ст и кото р о й: ( н а о с н о в а н и и тор а ) р а спо.1 ожен ы отверстпя ф 3 :-.>м. Н а верхнем о с н о в а н и и т о р а уст а н а в ­

из

иl и в а ют с я отр а ж атеи'I И 2. Т о н н е л ь н ы е т р у б ы Т о н н е.'I ЫI Ы е тру­ б ы уст а н а в л и в а ютс я в н и ж н их б а ках ступе­ ней и с лу ж а т д.1 я р а з :v� е ще н п я м а ги ст р а .1 ь н ы х т р у б о п р о в о д о в , и д у щ и х от в е р х н е го б а к а к д в и ­ г а т е л ь н о й уста н о в ке ( р и с . 4 . 9 ) .

J

.

Тоннельные трубы пов ы ш а ют надежн ость р а кеты п р и хр ыiеюш ее в з а п р а в о ч н о м состоя юш . а г а к ж е в у с л о ­ виях п ол е т а и у п р о щ а ют техн о л о г и ю с б о р к и р а к � т ы н а з а в оде- и з ­ к о :-.ш е н с а т о р ы ,. гото в и т ел е . Н а тоннел ьной труб е у ста н а в л и в а ютс я кото р ы е ко м п ен с иру ю т тем ператур ные н а п р я же н н я , и однов р е :-.I ен­ но в ы би р а ю т с я тех н о л о г и ч е с к и е п о г р е ш н о с т и п р и уст а н о в к е т о н ­ не льной трубы в топл ивн ый бак. У с т р о й с т в о д л я к о н т р о л я д о з з а п р а в к и . Для обес-­ печения м а ксимальной дальности полета р а к е т ы н е о б ходи­ ма точн а я дозировка м ассы з а п р а вляемы х в б а к и ком понентов топ­ лива. В настоящее время испол ьзуют специа.'lьные с и ст е м ы Jю н т р о ля уровня ( С КУ) то плива в б а ках. С исте м а контроля уровня состоит из чувствител ьных элем ��пов,. пультов з а п р авки и ка бельной сети. По п р инцилу действия чувстви­ тельные элементы могут б ыть и ндуктивные, контактные, потен цио­ м етрические, ультразвуковые и др. колебаний Устр о й ств а для демпфирования Корпус р а кеты п р и полете и с п ы ты­ к о м п о н е н т о в т о п л и в а. вает как продольные, так и поперечные колебания. Основ н ы м и' причи н а м и , вызывающими ко.1 е б а н и я кор пуса , являютс я : пульсация тяги дв и гателя, р або т а а втом ата ста билизации, а та кже п ор ы в ы ветр а . Колебания ко р п у с а р а к е т ы воз д е й ст ву ю т н а м а с с ы 1\ 01\Шо­ нентов т о п л ив а , н а х од я щ и хся в топл ивных ба ках. Сов п адение ч а сто­ ты свободн ых колеб а н п й ко;-.шонента топтш а с ч а с т о т о й ко. I е б а н и й кор пуса м о ж ет п р и в е с т и к р е з о н а н с у н р а з р у ш е н и ю р а к ет ы . По­ это м у в н у т р и т о п л и в н ы х б а к о в ус т а н а в ш т а ют с я устр о й с т в а , Е о т о ­ р ы е у м е н ь ш а ют к о тr е б а н н я то п л и в а в б а к а х . В к а честв е д е м п ф е р о в испол ьзуют перфор и р о в а н н ы е попереч н ы е п е р е г ор о д к и Е:онус ы и п р одол ьные перегор о д 1ш . Перфор и р о в а н н ы е попереч н ы е п е р е го р одки эффективно у м е н ь ш а ю т а м пдитуду кол ебаний топл ив а . Эф­

.

,

­

56

ф е 1п н в н о действуют та кж е конусы, кото р ые уст а н а вл и в г ют в сече­ н и я х т о шш в н ы х б а ко в , н а и более уда л е н н ых от центр а м ассы р а ­ кет ы . П р одо.' JЬ н ы е п е р ег о р о д к и уl\I е н ь ш а ют персм ещение топJl н в а oт­ JI OC I I Тe.l ыю стен о к б а к о в 1 1 п ов ы ш а ют бл а года р я это м у з а п а с стати­ ч е с к о й ус тойч и в о сти р а кеты по у г л у I<р е н а . Э ф ф е к т и н н о сть про­ до.l r, н ы х п е р е го родок з н а ч нтельно н и ж е , ч е м п о п е р е ч н ы х , по п р о­ до.l ь н ы е перег о р о д к и деыпфи руют Iюлеб а н и я н а протяжеюш всего а ктивного уч астка полета, а попереч н ы е - то.1 ь ко при определен­

во:-.! ф и ксирова нном уровне. Ко:шч ество дем п ф и р у ю щ и х устройств, их конструкц и я и р а с по­ ..ложен ие в б а к а х дол ж н ы быть в ы б р а н ы т а к, чтобы дем пферы в ы­ по.1 Н Я.1 1 ! свою р оль по стабилизации р а кеты , но н е слнш ко:.1 увели­ � ш в а .л и ее м а ссу. Л ю к и, ф л а п ц ы и ш т у ц е р ы б а к о в. Для проведения монтажа систем внутр и б а к а , осм отр а п р емонта топл н г н ы х ба ков на одном из днищ уст а н ав.1ивается люк - лаз. Л аз ы з а кр ы в а ются к р ы ш к а м и , крепящим иен I< соответствующим ф л а н ц а м днища бол-· Т а:\1 1 1 .

К д 1ш щ ю1 ба ков п р и в а р и в а ются фланцы и штуце р а для при­ соединения трубопр оводов, кл а п анов и датчиков. Н а н и жнем дн и­ ще б а ка уста н а вливаются з а борное устро й ство, ворон когасители , датчшш остатка , д а т ч и к и уровня СОВ . Н а вер хнем дн ище, ка к п р а в ило, уста н а в л и в а ются агрегаты систем ы н аддув а (газогенер а­ -гор ы и др . ) , узлы ввода газа наддува , дренажный I<л а п а н , предо­ х р а н пте.ТJ ь н ы й кл а п а н , р ел е давления и другие элем енты а втом ати­ ЮI , н еобход и м ы е для р а боты и контроля системы наддува . 4.4 . Р А С Ч ЕТ ОБЪ Е М О В Т О П Л И В Н Ы Х Бд i(О В

Р а счет объемов топ.1 и в н ы х б а ков п роиз водится с целью опреде.1 ен и я и х геом етр ических р а з м еров. Объем каждого топливного бака в ключает: объем ком понента топли в а , запр авляемого в б а к,- Vз.о, V3 r; объем, з а н и м аем ы й конструктивными элемента м и, р а спшюжен'Н Ы М И внутр и бака ( б аллоны высокого давления для хра ненпя сжа­ -гых газов, тоннельн ы е и другие трубопроводы, элементы конструк­ ц и и двиг ателя, р азделител ьные, успо коительн ы е и з а борные уст­ р ой ства , датчики СОВ и др . ) ,- Vнонст р; объем недол ива ( газовой « Подушки» ) - Vпо�· Таким образом, объе м ы б а ков окисл ителей и горючего соответ­ ст в е н н о vб.о = Vз.о + Vнонстр + Vпо�.о ; vб.г = Vз.г + VIIOIICTp + Vпo�.l · П р и р асчете объемов топливной систе м ы кроме объемов топлив­ ных б а ков следует т а кже учитывать объем ы р а сходных м агистр а­ .лей, сообщающих топшшные баки с двига те.ТJьн ы м и установкам и { v�IaГ.O JI v�IаГ.Г) , •

57

О бъем то пл и в а , запр авля емо г о в б а к

О бъем топлива , з а п р авляемого в бак, выч исляется по м ассе з а .. п р а вляем ого ком понента для плотности ком понента р п r и тем пер а .. туре запр авки :

v3 =

тз

�

'

где тз - м а сса ком понента топлива, которая заправля ется в б а к. Масса ком понента топлива, з а п р авляемого в топ ..1 ивную систе­ м у, включает используемое (для увеличения скорости р а кеты ) топ­ J1 И В О и неиспользуемое. В свою очередь, используемое тошшва включает в себя р а бочий и гар антий н ы й запасы. Р а бочий з а п а с топлив а - это м асса топл ива, необход и м а я для достижения р асчетной дал ьности стр ельбы . Р а бочий з а п а с р ассчи­ тывается для р асчетных условий полета р а кеты на а ктиRном участ­ ке траектор и и . Гар ан т ий н ы й з а п а с т о п л и в а

Реальн ы е условия р а боты двигательной установки и усдовия полета р а кеты п р а ктически не соответствуют р асчетн ы м . Полет р а кеты происходит п р и воздействи и возмущающих ф а к­ торов, основными из них являются: отклонение тем пер атур ы ком понентов от ном инальн ого зн ачения - М; отклонение давления н а входе в н а сосы - 11Рвх ; отклонение в объемном соотношении компонентов - 11Kt. ; отклонение в «сухой » м а ссе р а кеты - 11 mcyx; отклонение в р а бочем з а п асе компонентов топдива -- :'J. m�- ; отклонение удельного им пульса тяги двигател я - А/�-д ; отклонение в аэродин ам ическом сопротивлении - 11Ха:эр· В виду того, что большинство из переч исден ных ф а кторов явля­ ются случ а й н ы м и величин а м и , то при неблагапр иятном сочетании и х возможен случ а й , когда р а бочий з а п а с ком понентов топ:шва ПZ·r , определенн ы й для ном инадьных условий полета , будет и з р а с ходо­ в а н р аньше, чем система у п р а вления подаст ком а нду на в ы кл юче­ ние двигателя, и р а кета не достигнет заданной м а ксим а л ьной д аль­ ности. Для ком пенсации влияния возмущающих ф а кто ров допол­ н ительно к р а бочему з а п а су топлива доб а вляют г а р а нтий н ы й з а­ пас. r а р антийный запас топлива тгар - это дополнител ьное J<Ол иче­ ство топл и в а , кото рое необход и :-.I о з а п р а в и т ь топл п в н ы е б а ки� чтобы с определенной (достаточно в ысокой ) надежностью обеспе­ чить достижение м а ксимальной дальности р а кеты . Н еис п ол ь зуемое то п л иво Н е и с п о л ь з у е:-.I ое т о п .1 и в о - т о п л и в о , з а п р а в .1 я е :-.юе в б а к п

кеты, но не созда ющее полезной тяги. 58

р а­

В е п с п ол ьзуемое топтшо ск.'lадыва ется из следу ющих состан ных -ч а стей : то п л п в а , р а сходуемого до н а ч а .11 а движения р а кеты и .11 и ступени (та к н а з ы в а е м ы й достартовый р а сход ) ; т о п а п в а , оста ющегося в двигателе после его оста нова ; ост атков топ.11 ива в б а ках ( н а элем ентах конструкш11' и П'д р а в­ .Ji ического неза бор а в за бор н ы х устройства х ) ; безкавитационных остатков ( остатков необходимых д.'I я обеспе­ чен н я бескавитационной р а боты н а сосов двигателя ) ; то п л п в а , необходимого для р а боты других систем р а кеты ( на­ п р и ;и ер , идущего н а н аддув топливных б а ков, в си�тему рулевых гидро п р и водов и др . ) . О бъе м газово й п одуш ки

Газовый объем в верхней ч асти бака н а з ы вается свободным о бъ­ объемо м н едол ива или объемом «подушки » . Объем «Подуш ки» должен быть м и н и м ально возможн ы м , так как его увед и чение при заданном объем е топл ивной систе м ы уменьш ает о бъем з а п р а вд яемо­ го топтша . Одн а ко уменьшение о бъе м а « подушки )> огр а н ич и в а ет­ -с я р ядо:-.'1 требов а н и й . Г а з о в а я подуш ка в б а ке необходим а для : ко:\ шенсаци и р а сширения топлива п р и изменен и и тем пер атуры -окружа ющей среды при хранении и от аэродин а м и ческого н а грева в вер х н и х сту пенях р а кет в полете ; обеспечения требуемого давдения в б а ке п р и з а п уске двигател я ; обеспечения в з а д а н н ы х д и а п а зонах давлен ия в б а ке при коле­ <б а н п я х тем пературы окруж а ю щей среды ; обеспечен ия норм альной р а боты дрен ажно- предохр а н ительной -систе м ы топл ивного б а к а ; обеспечения объе м а необходимо для ком пенсации ошибки в вы­ даче з а п р авочной дозы ком понента топлива назем н ы м и средства м и заправки; обеспечения объе::\'l а, необходи м ого в случ ае в ыделени я р аство­ р е н н ы х в топл иве газов и продуктов р а зложения топлив а ; р аз м ещения элем ентов систем р а кеты - устройств для газа н ад­ дув а , дренажно- предохр а н ительн ых устр ойств, датчиков систем контроля з а п р авки и в ы р а ботки топлива и др. О бъем газовой подушки в бак ах р а кет может изменяться в ш и­ роко м д и а п а зоне ( 1 . 5 % от полного объем а ) в з ависим рсти от тре­ бов а н и й . предъявляем ы х к р а кете. 'С М О М ,

. .

Глава

5

Н Е КО ТО Р Ы Е П Р О Ц Е С С Ы В П Р И И Х О П О Р ОЖ Н Е Н И И

ТО П Л И В Н Ы Х

БА КАХ

Одной и з основных задач п р и р аз р аботке р а кет н а жидком топ .. ливе является уменьшение п ассивной м а ссы р а кет. В м а ссу з а п р авки топл ива включаются остатки н ез а бор а , кото­ р ы е не сгор а ют в камере сгор ания, увеличивая м а ссу сухой р а кеты и, следовательно, уменьш а я дальность ее полета. Поэтому прп п ро­ ектировании систем ы п итания необходимо стр емиться к тому, что­ бы ум еньшить м ассу остатка неза бор а . Основную ч асть м ассы ос­ татка незабора составляет м асса ком понента , кото р а я оста ется в б а ке для пр едотвращения образования воронки и пос.1едующего двухфазного течения жидкости ( ком понент топл ива+ газы н ад­ дув а ) . Двухф азное течение ком понента топлива через дв игате.'l ь н едо­ пустимо, поэто)1у приходится п р екр ащать сл и в до полного опор ож­ нения б а к а . Н арушение сплошности потока в з а борных устройства х проис­ ходит в р езул ьтате кавитации и воронкообразов а н и я . Поэтом у п р и р а з р а ботке систем питания п р иходится учиты вать ворон киобр азо­ в а н и е над сл ивными отверстия м и и кавитаци ю в сливных отвер сти­ ях б а ков. Конечной цел ью р а счета любой систем ы н аддува я вляется оп­ ределение з начений п а р а м етров систем ы, н а и более полно удов.lет­ воряющим требов а н иям , перечислен н ы м в гл . 2. В а ж не й ш е е нз этих требов а ни й - получение м п н и м а д ьной м а ссы систем ы н аддува . Пр и горячем н аддуве б а 1юв н а и более существенно вш1яет н а весовую х а р а ктер истику систем ы велич и н а секундно го р а схода газа, необ­ ходим ого ддя обеспечения давления н аддув а . Очевидно, что для каждого кон кр етного случа я п отр ебны й р а сход г а з а о п р еде.'Iяетса з н а чением исходн ых п а р а м етров г а з а и процесса м и , п р о исходя щи ­ м и внутр и б а к а . Х а р а ктер этих пр оцессов, в с в о ю очередь, з а в не и т­ от з н а чений и сходных п а р а м етров г а з а н аддува, ф п з и ко-хшш ч еских свойств ж ид кого ком по н ента , _ конструктивных осо бевпост�й б ака. типа и р а споJiожения насадка, п р и м еняемого д.1 я в в о д а г а :> а , п от­ многих других ф а ктор о в . Т р уд нос т ь установ.1енпя з n r н i с ш ю с т i ! п о требного р а схода газа от з н а ч е н и й о п р е д е 1 я ю щ п х n а р юr е т р о в с о стоит в слож1юстп внутр и б а ко в ы х п р оцессов. К основ н ы :.-.1 в н у т р и б а i\ о в ы ы п р оцесс а м относятся : дв ижение г а з а вн утрп б а к а ; ­

.

60

­

теплообмен м ежду стен кам и ТОПJlИвного бака, зеркало�t жидко­ сти и газо�t н аддув а ; м ассаобмен м ежду газом н аддува и ж идкостью в б а ке ( .:;I иффу­ зия, испарение, конденсация, р а створение отдедьн ы х составдя­ ющих газа н а ддува в ком п оненте топл ив а ) ; изменение состава газа наддув а в р езультате химичесiюго вза­ и м одействия его с жидким ком поненто м , хим ических реакцнй в га­ зе и м а ссообм ен а ; изм енение п а р а м етров г а з а п р и р а сширении его в б ак�'; движение уровня повер хности жидкости (зер ка.1 а ) и перем ет и ­ ванне слоев ж идкого ко м понента, сопровожда ющееся обр азов ани­ ем ж идкой пденки н а внутр енней стенке и с илов ы х эш�ментах б а к а ;. воронкаобразование н ад сдивн ы м и отверстия:м и в конце опорожнения б а к а ; кавитация в сдивных отверстиях топ.1ивных б а ков. Р а ссм отр им кр атко основные особен ности перечис.'lенных про­ цессов. 5. 1 . КА Ч Е СТВ Е Н Н А Я СТ О Р О Н А П Р ОТ Е КА Н И Я В Н УТ Р И БА К О В Ы Х П Р О Ц Е С С О В

Ддя о беспечения подачи газа н аддува из газогенерато р а давде­ ние в пос.1еднем до.1жно быть больше, чем в б а ке. Перепад да вле­ ния в г азогенер аторе и б а ке в общем случае м ожет б ыть докр итиче­ ским, кр итическим и сверхкр итическиl\1 . В перво�t случ а е нетека­ ющая и з н а с адка струя ( и.1 и стр у и ) будет д о з в у ково й , ч то обуслов­ .1 и в а е т на.1 и ч и е об р а тной связи м ежду б а ко:\t и камерой г азогене­ р ато р а : . п р и у в е л и ч е н и и н а п р и мер , д а в.1 е н п я в б а ке одновр еменно повыс ится д а вдение и в камере газогенер ато р а . Если в качестве газогенератора п р и м еня.ют ЖГГ, то п р и докритическом ис rечении пов ышение давлен и я в его камере, вследствие увею1чени я давле­ ния в ба ке, п р иводит к уменьшению р асхода жидких ком понентов. через форсунки ю1и с м еситель. В том случ ае, когда соотношение компон �нтов К п р и бдижается к стехиом етр ическоl\t у, увеличивает­ с я тем пер атур а р а бочего тел а и соответственно уменьш ается по­ требный р асход его . Одн а ко п р и этом возра стает те�шер атур а стенок б а к а , что огранич ивает возм ожность у:м е н ьшения р а схода р а бочего тел а путем увел ичения его тем перату р ы . Тем пер атур а стенок б а к а , к а к показ а н о в р а боте [ 1 41, сушест­ вен н о з а в исит не тол ько от н а ч а льных п а р а м етров р а бочего тeJi a ,. но и от констр у кщш п р асп о.:1 ожения н а садка , от тол ш п н ы ётенок м атер и а л а , фор м ы и р азмер а б а к а , от х а р а ктер а протекания в нем п роцессов конденсации и и с п а р е н и я и от м н огих других ф а норов. Следует 1 а юк е у ч иты в а т ь , что д.1 я определ е н и я доп у ст и :н ой т е ;о.ш е ­ р атур ы р а Г>очего тел а р а счет средней тем пер атуры с.теню1 б и !< а яв­ л яется д <1 .1 L' !i.O недостато ч н ы м , т а к к а к д а ж е п р и с р а в н пте.1 ыr о н из­ кой c p e д t : e i i тем п ер атур ы стенки возм ожен :\I е с т н ы й перегрев ее,. о буслов.1 е н н ы й н ер а вно:-.rерностью тем п ер атур ных по.1ей. .

В rшду сложности р а счета тем пер атур ных полей сте н к и б а к а , .м н нн :-- t а ,1 ы1 ы й р а сход р а бочего тел а , соответств ующий м а кс и м а л ьн о д о п у спв1 о й н а ч а.r п,rюй е г о тем п е р атуре, может б ып, в н а с т о я щее в р е :vt я у ст а н о в л е н тол ько экс пер и м ента л ьно п р и отр а ботке кон кр ет­ ной СИСТе:\1 Ы н а дду в а . � а к и м о б р азом , п р и до кр итическом и стече н и и /К Г Г буд<>т с а м о­ р егу.l н ру ю щ ю .r с я . О д н а к о д л я того, чтобы соот н о ш е н и е компонен­ тов. п осту п а ющих в к a :vr epy Ж Г Г, оставалос ь п р и этом Ш'ИЮ.I еrш ы м , п е р е п а д н а форс у н к а х горючего и окислите.'l Я дО.'lжен б ыт ь оди н а ­ ков ы :-.r . В п р отивном случ ае п р и и з м е н е н и и давлен и я в б а ке будет и з :-.r ен я ться н е тол ько секундное кол и чество о б р а зующихся продук­ тов г а зогенер а ц и и , но и сост а в и тем пер атур а этих п р одуктов. Это, а т а кже т р удность обеспече н и я усто й ч и вого горения в )К Г Г п р и м а ­ л ы х д а в л е н и я х в его к а м е р е я в л я ются п р и ч и н о й отказа от с а м о р е­ гул н р ующихся Ж Г Г . Е с л и ж е в качестве газогенер атор а п р и м е н я ется П П Г, то з а в и­ с им ость д а в л е н и я в его к а м е р е с го р а н и я от давления в б а ке еще более нежел ател ьна , так как с корость горения з а р яда существе н но з а в исит от д ав.'l е н и я . П р и сверхкр итическо м переп аде д ав.'Iен и я в газогенер аторе и в б а ке в м и н и м ал ьном сечен и и н а садка уст а н а в­ л и в а ются к р и т и ч еские з н а ч е н и я п а р а метров г а з а , а н а в ы ходе из н а с а д i< а п р о и сход ит р ас ш и р е н и е стр у и . П р и з н а ч и те.'l ьном п р е в ы ш е н и и д а вления г а з а н а с р е з е н а садка н ад давлением г а з а в б а ке в сверхкр итической струе поя в л я ются с к а ч к и уплотнен и я . Н а л и ч и е з в у ковой с корости г а з а на срезе н а ­ с а д к а обус л о вл и в ае т н ез а в и с и :vюсть з н а ч е н и й п а р ю1 ет р о в в к а м е р е сгор а н н я газогенерато р а от п р оцессов в б а ке. В этом случ ае , п р и nостоян н ом да влен и и ком понентов топ л и в а п е р ед форсун ка м и Ж Г Г кол и чество газа , ген е р и руемого в еди н и цу в р е м е н и , и з н а че­ ния п а р а м етров этого г а з а в к а м е р е. сгор а н и я остаются постоя н ­ ными. Газов ы е струи, в ыш едш и е и з н а с ад ка , постепенно р ас ш и р яются п р и турбудентном перемеш и в а н и и с газом, н а ходя щимся над жид­ ким ком понентом . При достаточной дал ьнобойности струи дости г а­ ют стено к б а ка и з е р к а л а жидкости и отр ажаются от н и х . В ре­ зул ьтате в з а и модейст в и я струй и увлекаемого ими rаза с жид­ костью в п оследней воз н и к а ют ци р куляцион н ы е течения, способ­ ·ствующие перемеш и в а н и ю ее слоев, и м еющих р азную тем пер атуру. К а р т и н а движения газа и ж идкости внутр и б а ка существе н н о за висит от ко нструкц и и , относительного р аз м е р а и р а сположе н и я н а садка и и з м ен яется п о м ер е о пуска н и я зер кала жидкости. П р и с н и ж е н и и уровня жидкости в б а ке на в н утр е н ней о свобож­ да ющейся поверхности его о б р а зуется плен ка жидкости, тол щ и н а котор о й з а в исит от ф из ичес кого сост а в а ж идкости и скор ости опус ­ к а н и я у р о в н я в б а ке. Плеш<а жидкости оказыв ает существенное в л и я н и е н а п р оте к а н и е в нутр и б а ковых п роцессо в. П р и одних усло­ в и я х она м ожет и с п а р яться , увел и ч и в а я м а ссу и вла жность г а за н ад ду в а в б а ке, а п р и других услов иях - увел и ч ить сте п е н ь конден-

.132

с а ц и и составляющих г а з а н аддува и, следо в ательно, уменьшить ег<> в л а ж ность. Усло вием , н еобходи м ы :-.1 для исп а р е н и я жид костей, яв.1я ется н а л и ч ие п оложител ьного з н а ч е н и я п е р е п ад а д а в л е н и й

(5. 1) гд е Ps - д ав .1 ение н а с ы щен н ы х п а р о в п р и те м пер а ту р е ж ид к ости ;

Рп - п а р ц и альное давление этих п аров в объем е б а к а .

В с.ТJучае, когда /).р = рs-Рп < О, процесс м ассооб ;..:� е н а н а п р ав.т�ен в п р отивоположную сто рону, т . е. в м есто исп а р е н и я п р о н сходит конде н с а ц и я п а р о в на поверхности жидкост и. П р оцесс пер ехода п а р а в ж ид кость возм ожен н е то лько н а по ­ в е рх н ости ж и дкости и сте н к а х б а ка , но и во всем о б ъем е га за . П р оцессы м ассао б м е н а ( ис п а рение и конденсация ) , п р отека­ ющие в б а ке, тесно связ а н ы с п р о цессом теплообм е н а м еж д у га­ з о м , жидким компонентом и сте н к а м и бака. В р езультате теп.'!оот­ д а ч и в стенку и жидкость темпер атур а г а з а понижается, что в ы з ы­ в а ет повер хностную и объем ную конден с а ц и и . Объем н а я конден­ сация п ротекает и нтен с и в н о в н а ч ал ь н ы й п ер иод р а б оты систе м ы н аддув а в р езультате с м е ш е н и я г а з а н адду в а с ходод н ы м газом п р е д в а р ительного н а дду в а . В общем случае теплов ы е потоки в б а ке состоят из ..1учнстых и конвекти в н ы х п отоков и тепловых потоков, свя з а н н ы х с пеj.J с>Н осом м а с с ы . П р и с р а в н итедьно н и з к и х тем пер атур а х в тогш и н н ы х б а к а х .1уч истые п отоки п р ене б реж и м о м ад ы . Н а конвективные теплов ы е потоки в сте н к и и жидкость сущест­ в е н н о вли яет х а р а ктер д в и жен и я г а з а внутри б а к а и н ал и ч и е н а сте н к а х жидкой п л е н к и , о б р а зующейся в р езу�1 ьтате конде н с а ц и и п а р о в и о п уска н и я у р о в н я ком п онента . Ве.1 и ч и н ы и н а п р а в.1 е н и я теплов ых потоков, связ а н н ых с пере­ носом м а ссы, о п р еделя ются т е м и же ф а ктор а м и , что и пер енос с а­ м о й м а ссы и , в ч а стности, существенно з а висят от п а р асодерж а н и я и темпер атур ы г а з а н аддува , от свойств г а з а н аддув а , от свойств и те м п е р атур ы компонента то п л и в а , от площади поверхности и тем­ п е р ату р ы стенок б а к а . П р и н аддуве б а к а гор я ч и м газом, содержащим п а р овую ф а зу. п о верхностн а я конденсация на зер кале жидкого ком понента в ы з ы ­ в а ет п о я в л е н и е теплового тока , н а п р а вленного к жидкост п . П р и: н аддуве сух и :-.r гор я ч и м г а з о м тепловой п оток от н е г о и д е т н а п р о ­ грев и и с п а р е н и е ж идкости, п р и че:-.r теплота , з а т р а ч ен н а я н а и с п а ­ р е н и е , вм есте с и с п а р ившейся жидкостью вновь воз в р а щается в г а з н аддув а . Тепловой п оток, н а п р а в.1 е н н ы й к стен к а м б а к а , а н а .riог и ч ­ н ы м о б р а з о м м ожет быть р а здеаен н а иду щ и й непо с р едст;зенно в сте н к и и н а и с п а р е н и е ж и д кост и . Сущес т в е н ное в л и я н и е н а ве.1 и ч ин у коэф ф и ц и ентов теп.1о- и м а е­ соотд а ч и в стенку б а к а п к ж и д к и м ко:-.шонента м о к а з ы в а ет х а р а к­ тер движе н и я г а з а в нутри б а к а и н а .1 и ч и е п .1 е н к и .ж i щ к о с т п н а стен­ к е б а ка . 63

Т n 1ш ы о б р а зо ы , в р езуЛ I,т ате п роцессов м а ссообм е п а и т е п лооб­ м е н и �r ежду ж н д костi,ю, сте н ко й б а к а , с од н о й <;то р о ю.! , 1 1 г а з о м н а д д у в а , с д р у г о й сто р о н ы , сост а в последнего н з ы еняетс я . Изм е н е­ н и е с о с т а в а г а з а н а ддува воз м ож н о т а кже в р езультате х п l\ш ческих п р оцсссов м ежду г а з о :11 н аддув а и ж и д косп,ю, а т а кже в рез_\ '.'! ьтате Х I I :О.Ш ' ! е с к п х р е а кц и й в самом газе. Так, н а п р и ;.vr е р , вод а , кон:Iенс пр у­ ю ш а я с я н а стен к а х б а к а , содержа щего о кпстпе.'l ь н а основе а з от­ � ю й 1ш с:юты, м ожет пог.rющать двуокись а з о та, содер ж а щуюся в г а з е ш1ддува и о б р а зо в ы в а т ь а зотную 1шслоту и ою1сь а :=sота [8]. С д р у г о й сторо н ы, на поверхности жид1юго ком понента воз:-.ю жно п р о те Е а н не о б р атной р е а кц и и р ас к и с л е н и я . У м е нь ш� н и е тем пер а ту­ ры н бо.'! Ыll о е в р е м я н а хожден и я г а з а н аддува в б а ке, по с р а в н е н и ю с в р оr е н е м п р е б ы в а н и я его в I<а м е р е Ж Г Г , созда ют усло в и я д .riЯ п р отека н и я н е кото р ы х х и м ических р е а кций в г а з е н аддув а . Т а к , н а ­ п р ю! е р , в б а ке воз:--ю жно окисл е н и е окнси а з о т а , о б р а з о в а н ие из .д в у о к и с и азота четырехокиси а з о т а и другие х и м и ч еские р е ·

8 KЦI! I!.

П р и сливе жидкости через д а н ное отверстие в топлпвном б а ке в конце опорожнения о б р азуется вор о н к а , п р и водя щая к двухф а з н о ­ м у течен и ю в трубопроводе . Двухф а з н ое теч е н и е ком п о нента топли­ в а ч е р ез д в и г ате.ТIЬ н едопуст и м о , в связи с ч е м п р и ходится п р е к р а ­ щать с.'I И В ко м п онента топл и в а и з б а к а в м а гистр а.ТIЬ путем уста­ новки с п е ц и а л ь н ы х пневмокл а п анов н а д сливн ы м трубощJоводом и л и п р о и зводить откл юч е н и е двигателя . Топл иво, оста ющеес.я в б а ­ к а х к м о м енту появления двух ф а з ного потока в системе п и т а н и я , я в л яется н ев ы р а б а т ьш а е м ы м остатком н е за бо р а . Пр и э т о м воз м ож­ но о б р а з о в а н и е вор о н о к с в р а щением жидкости в б а ке и без вр а ще­ н и я жид кости ( « п ровал уровня » ) . П р и ч и н о й воз н и кновения вра щ а ­ тел ьного движения жидкости н ад з а бо р н ы м устр ойством м огут явн тJ,ся кор и ол исовы с ил ы , кавитационные явления в з а бо р н о м устройстве, р а з л и ч н ы е з а гр о м ожден и я в б а ке, п р иводящие к не­ с и м м етр и ч н о м у п р итека н и ю жидкости к з а бо р ному устрой ству , а та кже р а з л и ч н ы е н а ч а л ьн ы е возмуще н и я . О б р азовавши ii с я п р и этом газов ы й жгут п р о н и i< а ет в м а ги стр а .ТJЬ с исте м ы п и т а н и я и н а руша­ �т с шю ш н ость потока . Из вестно, что переход к двухф азному течен и ю п р и в и х р евом во­ :р он кооб р а зов а н и и п роисходит при больших высотах · уровня, ч ем п р и воз н и кновении воронки без в р а щения. В и хр евые воронки в топ­ .л и в н ы х б а к а х р а кет устр а н я ются конструктивно пост а новi<С'Й н а д сл и в н ы м и отверсти я м и воронкогасите.ТJей в виде т а р е.r1ей, р еб ер и др. П р ава.'! у р о в н я обусловлен истеч е н и е м жидкости из б а к а и ус­ тр а н ить его п р а ктически н е п р едставл яется возм ожн ы м . К а в и т а ц и я воз н и ка ет в том случ а е, когда статическое давлен и е жид косп1 п адает н и же д а в л е н и я н а сыщен н ы х п а ров Жiцкости из-з а уве.'l и ч е н и я скор ости поток а в з а борном устро йстве . П р и этом гид­ р а в.'! н че с к и е потер и в з а б о р н о м устр о й стве воз р а ста ют. Поэто:иу з а­ бор ное устройство должно быть с п р оектиров а н о т а к, ч то б ы в нем не воз н п к а .'! а к а в н т а u п я .

.S4

З н а ч ительное услож нение картины внутр и б а ковых п роцсссов св яз а н о с неста цион ар ностью этих процессов. Даже п р и постоян­ стве з начений начал ьных п а р а м етров и р асхода газа , посту п а юще ­ го н а н аддув , и п р и постоянстве р а схода жидкого ком понента п о мер е опорожнен и я б а к а внутр и е г о прои сходит непрерывное увели­ чен и е объе м а газа н ад зер калом компонента, увеличение поверхно­ ст и стенок, контактирующих с горячим газом, изменение тем пер а ­ rур н ых полей стенок б а к а , изменения полей темпер атур ы и с коро­ ст и в газе, изм енения свойств газа и т. д. Изменение состава газа н :зддува в б а ке приводит к изменению газовой постоянной н пока­ зателя по.r штро п ы . 5. 2 . П Р О Г Р Е В Ж И ДКО Г О К О М П О Н Е Н ТА П Р И Н АДДУ В Е

Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В Г О Р Я Ч И М И ГАЗА М И

П р и горячем н аддуве топливного б а ка тем пер атур а г а з а н ад свободной повер хностью жидкого ком понента всегда выше тем пе­ р атур ы с а м ого ком понента топлива. Перепад тем пер атур определя­ ет наличие теплового потока , н а п р авленного в сторону жидкости через свободную поверхность. Прогрев жидкого ком понента происходит к а к вследствие тепло­ п р оводности жидкости , так и вследствие конвективного движения ее в б а ке. Эксперим ентально установлено, что конвективное дви­ жение ком понента топлива во м ного р аз усиливает интенсивность прогрев а . Е с л и п р и н ять, что тепло в жидкости переносится только благо­ даря ее теплопроводности , то поставлен н а я з адача сводитс я к ре­ ш е н и ю дифференциал ьного ур авнения теплопр овод но ст и по д уогр а ­ н иченного тела а д < У...:.• _ дt ( у , т) . т):.... ;:_2_t� (5. 2) ду 2 дt п р и н ач альном условии i (y , 0) = t0

(5. 3)

t (oo, t) = i0 ;

(5. 4 )

и г р а н ичных условиях д t ( оо , т) О· ду дт (т) + a ( t') [t* (t') - i (O, t)] = O, '

(5 .5)

), д t (0 , t) (5 . 6 ) г д т: ду где а (т) - коэфф ициент теплоотдачи н а поверхности ж идкост и ; Л - коэффвциент теплопроводности ; r - теплота п а рооб р азова н и я ; ­ т ( т ) - секундны й м ассапото к с единицы площади поверхности жидкости ; t* (,;) - темпер ату р а газа над жидкостью ; t (y, ,; ) - тем­ пер атур а жидкости на р а сстоян и и у от свободной се поверхности в 3- 1 7 1 8

65

момент врем ени т от начала п рогрева ; t0 - начал ь н а н т ем пе р атур а жид кости . Граничное условие ( 5 . 6 ) пр едставляет собой уравнение б а л а н­ са энер гии н а свободной п оверхно сти ж идкости . Для того, чтобы воспол ьзоваться граничным условием , необходи м о з н ать функции а ( 't ) , т (т) и t* ( 't ) . Однако и меющихся в настоящее время э кспери­ м ентальн ых данных недостаточно для обоснов анного задания э т их фун кций . Решен и е уравнений ( 5 . 2 ) . . . (5.6) можно упростить, если вместо гран ичного у с лов ия (5.6) и спользов ать следующее услови е * : ( 5 .7) t ( O t ) = f (t).

,

Решение уравнения ( 5 . 2) з а висит от вида функцип f {т) . Р а ссмотр и м р е шение ур авнения ( 5 . 2 ) п р и у словии (5.3 ) . . . ( 5 . 5 ) и пр и з адан и и гр ан ичного услови я ( 5.7) н а п оверхности жидкости в в иде экспоненциальной функции (5.8) t (O, т) = / (T) = to + (t5 - t0) [ 1 - exp ( - k t) . З десь ts - предельн а я темпер атур а поверх но сти жид кости . П р и ближенное р е шение ур а внения ( 5 . 2 ) можно пр сдст:шить в в иде

{ ( 2 k ) - ехр ( -kt) x [[ 1 - 2k t ( 2 � YJ e rk ( 2 ta� ) + �� 2 ;а� е хр ( - 2 ;а т УJ} • где e rfc ( 2 а ) - та б у и ва нна я функция; ;� t (y , t) = io + (t5 - t0) e rfc

Х

л ро

e r fc

( 2; )

а� = 1 - e r f

.( 2 � )

_:- 1 -

Jл � 2

у

va:<

е хр ( -u 2 ) du .

о

Н а йдем врем я т*, в течение которого прирост тем ператур ы н а nоверхности t ( O, т) -t0 со ставля·ет величину 1 -ехр t -- 1 ) = 0,63 от м а ксим ально возможного пр ир оста ts-to t ( О , т* ) 1 - е х р ( -1)= 1 - е хр ( - kt*) . t t

Откуда k =

� Т"'

;

s- o

k ( t) = � -

�

't"'

Если обозначить t = -. - относите.1 ьное врем я ; т"'

У= 2

У

r ат

�r-

=2

r

-

-

Fo

* Вы бор выражения (5.7) в качестве граничного условия можно мотивиро­ вать тем, что эксперимен тальное определение ф ункции f (,;) несравненно проще определения вида функций сх ( ,; ) , т (т) , t* (,;) .

66

бе зразмерная коорди н а т а ;

( кри тери и u

Ф

)

ур ье ;

а u

Fo = � -

(У, ; •

)

_ _

t

у2

(У , :Т) - t0

критер и й rомохрон ности

- от-н осител ь н а я и з б ы is - t o точ н а я тем пер атур а жидкости, то уравнение ( 5 . 8 ) м ож н о з апи­ с а ть в к р и те р и а .'lьном виде

't) = 1 - ехр ( _:r);

& (О,

(5 . 8 ' )

- [( 1 - 2Y2t) erfc Y+ 1 r31 У ехр ( - У2)](5. . 9)

-

2�

& (У, т) = е rfс (У) - ехр ( -т)

Экспонен ц и а л ь н ы й з а ко н изменения темпер атуры и соответст­ вующие поля тем пер атур п р иведсны на р ис. 5. 1 и рис. 5.2. Если избыточную тем пер атуру жидкости t ( У, .f) -t0, о т н е с ен н у ю к и з б ыточной тем пер атуре е е поверхности в д а н н ы й м о м е н т време­ н и 'l't (O,т) , обозначить t

б ( У , t) =

t

(У , !> - t0

(О , 11) - t 0

то выр ажение (5. 9) п р и м ет следующий в ид :

{erfc (Y) - exp(-t) X [ ( I - 2Y2 t) erk (Y ) + ,7� У ехр ( -Y2)]J .

б ( У , t) = х

1

_

1 - e x p (-t)

tY(o, i)

В(У; t)

0,8 о, о 0,4 o. z о

(5. 9')

1,0

2, 0

f'

0,8

0,8

О, б

0, 6

0, 4

l!,4

0, 2

0, 2

о

Р 11с. 5 . 1 . Экспn ненц11ал ь н ы й закон верх ности ж 11 д кост11 во в р е м е н и

0, 4

0,8

1,2

у

и з м е н е н и я относ11тельной

о

0, 4

избыточной

0,8

у

1,2

т е м пературы

по­

Рис. 5.2. Безразмерные по.q я относ11те.qьной избыточной температур ы поверхности ж и д кости п ри э кспонен ц11ал ьном з а коне и з м е н е н и я темпер !lтуры ее поверхности во времен11

Р ис. 5 .3. Безраз м е р н ы е по.q я тем пературы ж идкости п р и экспоненциальном з а коне измене­ н и я т е м п ературы ее поверхности

3*

67

Н а р ис. 5.3 показаны безразмерные поля тем пер атуры в коор­ дин атах О , У для различных зн ачений -:t. И з р исунка сл едует, что с увеличением относительного врем ени 1- ( с ростом времени т или с уменьшением т* при более интенсивном н агревании поверхности ) профили тем пер атур получ аются более пол н ы м и . Верхняя кр ивая н а рис. 5.3 представляет собой профиль тем пер а тур п р и � =- . Это значение т возможно в двух случ аях: п р и бесконечно продо.'lжи­ тел ьном прогреве жидкости или п р и бесконечно быстром нагреве ее поверхности до предельной темпер атуры t8• Р а ссм отр и м решение ур авнения (5:2) при граничном услови и н а поверхности жидкости в в иде степенной функции

оо

t(O, т) =f (t) = t0+ A t'1 •

(5. 10)

При г р а ничном условии ( 5 . 1 0 ) , а т а кже при усдов иях (5.4) и ( 5 . 5 ) н а бесконечности и п р и н а ч альном условии ( 5 . 3 ) решение ур авнения ( 5 . 2 ) м ожет быть з а писано в следующем виде :

f (y , t) = i0 + A tn [ 1 - R( 2 Va-c , п ) ] ,

гд е

(5. 1 1)

R = 1 - A nп ! i2n erfc ( 2 Va-r- ) при n= 1, 2 , 3 , . . . ; (5. 1 2) R = 1 - {[ 1 + 2n ( 2 :a. Y] e rfc ( 2 Va-a ) - �л 2 Va-o e xp ( - 2 Va-o Y} (5. 13)

.. n Здесь p e r fc (�) 2 Уа-с = � при О -< n -< 1

\

i2 '1-1 e r fc (� ) d � .

иФ vcn>

Время, з а которое н а поверхности жидкости достигается дельн а я тем пер атур а ts, обозначим т* * . Тогда о тк vд а

А=

t s - to ( -c ** )

п р е­

i (O , t**) = i8 = i0+A (т** ) n ,

n

Если обоз н ачить относительное время

t=т** 't

_' -_ 2 -(.П - 2 YFo

и пер ейти к переменным у

_

Y_ _ _I

.

{} ( У,

т) =

t (У , -ё") - t о , t s - to

то ур авнения ( 5 . 1 0) и ( 5 . 1 1 ) м ожно з а п исать в критер иадьном впде

68

( 5 . 1 0 ')

& ( 0 , t) = til;

(5 . 1 1 ') & (У, t) = tn [ 1 - R (У , n )] . Н а р ис. 5.4 пока з а н ы з а коны изменения темпер ату р ы поверхно­ сти жидкости при р азличных показ ателях степени n. О тно с и т е л ь ­ н а я избыточ н а я темпер атур а -& ( У, т) , к а к это следует из фор :vl ул ы ( 5. 1 1 ) , з ависит от п а р а м етр а n и двух пер ем ен н ы х У и --:t. В связи с эти м целесообразно, к а к и в случае р азогрева поверхности жидко­ сти по э кспоненци а л ьному з а кону, перейти к перем енной

б ( У, t = t (Y , т) - to = & (У , :С) ) & ( О , т)

t (О , т) - t 0

Тогда в ы р ажение ( 5. 1 1 ' ) п р и м ет вид

(5 . 1 1 " )

б (У , n) = 1 - R (Y , п ) . ]

Н а р ис. 5.5 п р едставлены безр азмерные поля тем пер атур в коорди­ н атах е, У при р азличных значениях n. Из этого р и сунка видно, что п р и уменьшени и n, т. е. пр и увеличен и и интенсивно сти роста тем­ пер атур ы н а поверхност и жидкости профили темпер атур получают­ ся более полными, т. е. они п р и ближаются к кривой, соответств у­ ющей n = O. По известному для данного момента времени профилю тем пер а­ тур ы можно о п р еделить удельный тепловой п оток q и все тепло, от­ в еденное в жидкость з а время -r: q- -A '

�r(o, r)

( t) d

dy

-

о�у

.,

(5. 14)

0,8 О, б 11 r:::

о Рис. 5.4. Стеn е н н о й закон ж ид кости в о времени

0, 8

у

O, ft. 0, 2 о

изменения относительной

0, 11

0, 8

1" 2

у

избыточ ной т е м п ературы поверхности

Рис. 5.5. Безразмерные п од я тем ператур ы ж и д кости nрн степенном законе и з м е н е н и я т е !\t � nературы е е поверхности

69

Q = Fi.

S(_!!!_) �

о

dy

у =О

dt;

(5 . 1 5)

F - площадь свободной поверхности жидкости. Из р ис. 5.4 и 5.5 в идно также, что тем пер атура прогревающейся жидкости по мере удаления от свободной повер хности асим птоти­ чески п р и бл ижается к н ачальному з н ачению t0• В связ и с этим вве­ дем условное понятие «глубина прогрева жидкости». Под глубиной пр огрева жидкости будем поним ать значение координаты y = h , со­ ответствующее слою, тем пер атура которого отлнчается от началь­ ной на l'!.. t , т. е.

где

t (h , t) - t 0 = bl. Соответственно имеем

t (h , 1J) - t0 - --М t s - to t s - to t (h , 1:) -· t o � (h , 1:) б (h , t)= -& (О , 1:) t (О , -с) - t0 , h -)

tt ( , t =

(5 . 1 6) (5. 1 7)

Для определения глубины прогрев а жидкости h в момент вре­ мени т должн ы быть известны коэфф ициент темпер атурапроводно­ сти а и з а кон изменения тем пер атур ы свободной поверхности ( to , ts, k в случ ае экспоненциального з а кона и t0 , fs, А , n в случа е степенного з а кона ) . В еличиной l'!.. t необходимо задаться . Р а счет уп­ рощается, если воспользоваться гр афикам и рис. 5. 1 и 5.3 при экспо­ ненциальном з а коне изменения тем пер атур ы повер хности жидкости и г р а ф и к а м и 5.4 и 5.5 - п р и степенном з а коне. Р а счет h с исполь­ зованием указанных графиков п роводится в следующей посJтедов ате.ТIЬности. Для заданного м о м ента т вычисляют т= т:/'tk ( или Т= = т/т * * п р и степенном з а коне изменения темпер атуры повер хности) и п о г р а ф и ку рис . 5 . 2 ( ил и р ис. 5.4) опредед я ют значение tt ( O , т) . Это значение относительной избыточной тем пературы пове;:>Хност и и зн ачение tt (h, т) , вычисденное по формуле ( 5 . 1 6) , необходи м ы дл я р асчета относитедьной избыточной темпер ату р ы жидкости н а глуб и н е прогрева е (h, � по формул е ( 5 . 1 7) . По вычисденному зн аче­ н и ю е (h, =t') и графику р ис. 5. 3 ( ид и р ис. 5.5) находят з н а чение без­ р азмерной коорд и н аты У = Н и, н а конец, по соотношению h = 2 VёitH вычисляем глубину прогрева h. На р ис . 5.6 п р иведен график изменения глубины прогрева /1 ( п ри р аз н ых l'!.. t ) в зависимости от времени т , р ассчитанный для случ ая бесконечно быстрого возр астан и я тем пер атур ы свободной поверхно ­ сти воды от начальной темпер атур ы Т0 = 273 К до т ем пер атур ы Ts = 373 К, котор а я в да ль нейшем остается постоянной . Ка к видно из р и сун к а , ве.rшчин а h даже в случ ае н а и более и нтенсивного п р о­ г р е в а повер хнаста воды ср а в юпе.'I ь н о неве.1 п к а . 70

l(O, r}-t0, гparJ

w r---r---r--����-

о

..

40

во

120

1б0

т:, с

т �--�--��� о чо 80 120 150 200 z; r:

Р и с 5.6. И з м енение в о в рем ен и глубины прогрева воды Т = 373 11 273 К

при

т е м пературе

ее

повсрхносп1

Рис. 5.7. И з менение во в р е м е н и избыточноii температуры свободноii поверх ности гор я щ 11х ж идкостей : керос и н Т - 1 ( кр и в а я 1 ) , бензин ( кр и в а я 2 ) и stтиловыii спирт ( кривая 3).

В р а боте [ 1 9] п р оведено экспер и м ентальное и сследов а н и е про­ цесса п р огрева жидкости при п одводе тепл а со стороны свободной поверхности . Было п роведено т р и сер и и о п ытов : 1 ) с горением по­ верхности жидкости ; 2) путем теплоотдачи к ж идкости от горючего г а з а , н аходящегося н ад нею; 3 ) путем теплоотдачи к жидкости от перегретого п а р а , н а ходящегося над нею. Гlрогрев жидкости при горении н а поверхности изучали н а этиловом спирте, керосине и бензине. Н а рис. 5 .7 показа но измене­ н и е во времени тем пер атур ы свободн ой поверхности при гор е н и и э т и х жидкостей. О п ыты п р оводили п р и а r м осферном да в.r�ении и н а­ ч а л ьной тем п ер атуре ж идкости t = 278 . . . 288 К. Из р и сунка видно, что п р и горен и и спирта тем пер атур а горящей его поверх tюс1 и р а н ь­ ш е достигает значения, соответствующего тем пер атуре его кипения. З а кон изменения тем пературы н а горящей поверхности указан­ ных жидкостей м ожно а п п роксим ировать следующим и зависимо­ стя м и : (5 . 1 8 ) для эти л ового спирта t (O, t ) - t0 = 38 [ 1 - ехр ( -0 , 08 3-r ) ] ;

дл я керосина Т- 1 для бензина

t (0 , t) - i 0 = 24ti14; t (0, t ) - t0 = 1 2,5-rl/3,

(5 . 1 9)

( 5 . 20 )

Н а основ а н и и полученных з а конов изменения тем пер атур ы по­ верхности горящей жидкости и фор м ул (5.9 ) и ( 5. 1 1 ) были р а ссчи­ таны теоретические поля темпер атур . Сопост а вление этих полей с э ксперим ентальным и показ ала, что измерен н ы е з н а ченпя темпер а­ тур ы з н а ч ительно отл и ч аются о т р а счетных, п р ичем действите.lь­ ная тем пер атур а жидкости всюду выше р а счетной. Это р а схожден и е объясняется т е м , что в р а сч ете б ы л о п р инято допущение о переда­ ч е тепл а в жидкости бла годаря тол ько теплопро водности, з н али­ ч и е I< о н в екц и и не v ч и т ы в ал о с ь . В действи те.п ьностп же н а.1 и ч п е кон векции интенсиф i щирует п р оцесс переноса тепла, ускоряя про­ грев. 71

Результаты э ксперим ентов первой сер и и о пытов свидет,:льству­ ют о том , что п роцесс прогрева жидкостей п р и горени и их свобод­ ной поверхности является сложным : перенос тепла осущестъляется ка к благод а р я теплопроводности жидкостей , т а к и за счет конвек­ тивных токов в них. В л ияние конвекции н а перенос тепла м ожно учесть, как это п р и­ нято в теор и и теплопереда ч и, вводя эквив алентны й коэфф ициент теплопроводности Лэкв > Л . В еличину коэффициента конвекци и Ен = Лэ�>в/Л м ожно найти непосредственно из опыта. Аналогично бу­ дем назыв ать эквив алентн ы м коэффициентом теплопроводности ве,r шчину Аэi<в (5. 2 1 ) аЭКR = -е Ка Сру

=

эквнва.'l ентной б е зр аз м ерной коор д инатой величин у 1 у у уэкв = � �(5 . 22) r . 2 1 а э"в'V r Ек На р и с. 5.8 в качестве п р и м е р а п р иведены поля избыточ ной тем пер атур ы керосина Т- 1 , р а ссчитанные с учетом конвеiщи,t Ек = 9. Т а м же н анесены э кспер и м ентальные значения тем пер атур ы, из м е­ р енные н а р азличных р асстояниях от свободной поверхности в р аз­ личные мом енты времен и . З н ачение tк, близкое к 9, б ы л о получено также для двух других исследованных жидкостей . Удовлетвор ительное согдасование э кс­ п ериментадьных и р асчетных данных ( с учетом конвекц и и ) под­ тверждает возможность использования теоретических уравнений ддя р асчета п р огрева жидкости, если в этих у р авнениях а и У з а­ м ен ить эквивадентн ы м и значен и я м и . Пр и н аддуве горячим воздухом средняя тем перату р а воздуха внутр и ем кости оказалась небольшой даже п р и начал ьной тем пе­ р атур е его ( н а входе в ем кость ) , р авной 573 К. Н а расстоя нии 40 ... 50 м м от свободной поверхности тем пер атур а воздуха м ало от­ л ич а лась от н ачальной тем пер атур ы воды. Прогрев воды поэтому был н астолько незначительным , что н адежно измерить его с по­ мощью и м еющихся тер м о п а р и потенциом етро м ЭПП-09 оказалось невозможн ы м . В тр етьей сер и и опытов изучался п р огрев жидкости от пер егретого п а р а , н аходящегося над ж идкостью . Давленtfе в ем­ кости поддерживалось р авным 0,2 МП а , п а р н а входе и м ел тем пе­ р атуру 573 К, свободная п оверхность отстояла от н асадка н а р ас­ стоян и и 500 м м . Вследствие конденсации п а р а на поверхности воды быстро уст а н а вливалась темпер атур а , б'л изкая к тем пер �iтуре кипе­ ния воды. Поэтому в р асчете тем пер атур а поверхности была п р и­ нята постоянной и р а вной 383 К. Удовлетвор ительное совп адение р асчетных и э ксперим ентальных полей тем пер атур воды прн тепло­ отдаче от п а р а к воде было получено п р и tн = 20 ( р ис. 5 9 ) Такая бо.'IЬш а я вел и ч и н а коэффициента конвекции, п о ср авнен и ю со слу­ ч аем горения свободной поверхности , объясняется тем , что струя, выходящая из н асадка , вызывает движен и е газа над поверхностью 11

.

72

.

t (y- r)- io . цa iJ :1<

;, п

40

зо

iO

20

10

Q Рис.

5.8.

}

}

у, мм

П о л я избыточной температуры п р и горе н и и поверхности керосина Т- 1 :

О - т = 50 0 - Т= 1 00 D - т = 1 50

с

С

с

Э J<С П С р и м е нт

0 - т= 1 00 с д _ т= 200 с

(е, ; = 9 )

- расчет

Рис. 5.9. Поля избыточной ( Т= 573 К, р = 2 · 1 05 Н / м 2 ) : - - - р а с ч ет

д - т= 200 с Х - Т= 250 С

}(е..= 1 ) ;

� I< С П С р И М С Н '

температуры воды п р и теплоотдач е от перегретого п а р а к воде

эксп ери мент

(е" = 20)

расчет

жидкости, которое п р и водит к возникновен и ю и нтенсивных конвек­ тивных токов в жидкости. Для определения возможной величины коэффициента конвекции п р и н аддуве топливных б а ков были использова н ы р езуJrьтаты э кс­ пер и м ентов по наддуву б а к а ж идкого кислорода г азообр азным кис­ .тюродом . Н а рис. 5. 1 0 пока з а н ы поля избыточной тем ператур ы , р асечитан­ ные для 't = 1 00 и 200 с в п р едположени и постоя нной темпер атур ы повер хности жидкого кислорода , р авной тем пер атуре кипения его, и коэффициента конвекции в = 14. Из р и сунка в идно, что р асчетн ые кривые удовлетворительно согласуются с э ксп е р и м ентальн ы м и дан­ ными. Н а р ис. 5. 1 1 показа н ы поJiя избыточной температур ы жидкого НДМГ пр и н аддуве б а к а nродуктами смесителя и ЖГГ. П р и н аддуве б а к а продуктами смесителя с темпер атурой tвх = = 200 . . . 320° С и п р и давлен .ии в б а ке Рб = 0,24 . . 0,4 МП а прогрев НДМГ н а блюдался тол ь ко в н ебольтом верхнем слое. Прогр е в верхнего с л о я з а 1 30 . . . 200 с происходил д о глубин ы 40 . . . 70 м м . Те:vr ­ п ер атур а ( в о всех опытах) н а поверхности НДМГ повышалась не более чем н а 3 .. . 1 6° С, н а глубине 10 . . . 1 2 м м - н а 2 . 1 4° С , а на глубине 30 м м - н а 1 . . .4° С . Дальнейшее изменение темпер атуры по глубине происходило м едл енно. Так, от глуби н ы 3 0 . . . 4 0 до 7 0 м м те м пер ату р а снижал ась н а 1 . 3 ° С . .

. .

.

.

73

t t u r) - t 0 ' град

12

10 8

6

4

z о

�

1� � '� i\� \ \.т =ZООс

4

j \.' � = tOOc

10

ZO

�

�

30

40

50

бО

о

t"\

У, НМ

1/

12

16

у, мм

Рис. 5 . 1 0 . Поля и з б ыточ ной температуры жидкого кислорода п р и н аддуве б а к а газообраз­ н ы м кислородо м : _

0

_

}

расчет

O - t= I OO c т = 200 с

(8,. = 1 4 ) э кс пе р и м е н т

Р ис . 5 . 1 1 . Поля и з б ыточ ной т е мпе ратуры жи д кого н е с и м м етрич ного д н м е т илгндраз и н а п р и н аддуве б а к а продуктам и сгорания ж r r и с м е с ител я : 1 - п р и 18"= 960° С ; lн= о• С ; т= 200 с; 2 - 1 8 х = 250° С ; lн = зо• С ; т = 20() с ; 3 - t 8 x = 300 с :

lн = l 6° С ; т = 200 с

Повер хностн ы й слой НДМ.Г п р и н аддуве б а к а продуктами сго­ ра ния ЖГГ с темпер атуро й 600 . . . 1 000° С значител ьно меньше про­ гревалея по сравнению с прогр евом , получаемым пр и наддуве п ро­ дукта м и смесител я . Максимальный п р огрев г ор ючего составлял 2 . 4 ° С, а п р и наддуве п родукт а м и с месителя - 8 . . 1 5° С . Это объяс­ няется тем, что при наддуве продукт а м и с м есител я и нтенсивная кон­ денсация внутри бака сопровожда ется в ыделением бол ьшого кол и ­ чества тепл а , которое идет н а нагрев верхних слое в жидкости в б а ке. На р и с. 5. 1 2 показ а ны поля избыточной температур ы жидког о N 2 0 2 п р и н аддуве б а к а продуктам и сгор ания ЖГГ с tвх = 600 К. Тем пер атур а верхнего слоя окисл ител я н а глубине 1 0 . . . 1 1 мм во всех опытах ( п р и изменении коэфф и ци ента избытка окисл ител я k о т 1 4 до 20) н е п р ев ы ш аJi а 1 6 . . : 1 0° С п р и t (y_ тJ-t гpaiJ н а ч альной темпер а ту р е N202 5 . . + 5° С т е :'vш е р а т у р е и 1 0 . . . 4° С п р и начально й N 2 01, - 1 0 . . . 23° С [ 1 5]. Для хим ичеrких систем наддува п р и вво.1е жидкого реагента через верхний жнк.!J ер компонент то п л и в а прогревается .

. .

--

Р ис . при

7 -1

D

z

4

.

5 . 1 2 , П о л я избыточной температ)'Р Ы ж идкого N204 наддуве бака продукт а м и сгоран и я ж r r :

tr.,= GOO

К;

N204

1 - н а чальная т е м п е р а т у р а

2 - н а ч а дь н а я т е м п е р и т у р а

р а вна

N204 51) С

равна

2 5 ° С;

нез н а чителыю . В случае ввода жидкого НДМГ через верхн и й жи к­ лер прогрев в а блюдался тош,ко в небол ьшом верхнем слое. Так, н а п р и мер, н а глубине 5 мм тем п ер атур а окислителя в конце о по­ рожнения ·б ака во всех о п ытах повышалась не более че:-.1 10 . . . 1 6° С, а на глубине 30 м м - н а 1 . . .4° С . Э кспер и ментальные и ссл едов ания показывают, что п рогре в топ­ лива в б а к ах зависит не тол ь ко от теплофизических свойст в ком­ понента топл и в а , но и от темпер атур ы газа на входе в бак, от на­ чальной температуры компонента. от кол ичеств а п а р а , содержаще­ гося в р а бочем теле н аддув а, и от времени р а боты систем ы наддува . 5.3. О Б РА З О В А Н И Е Ж И Д К О й П Л Е Н К И П Р И О П О Р ОЖ Н Е Н И И Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В

На п роцесс образова ния жидкой пленки и стекание ее со сте­ нок б а к а оказывает вл ияние пр оцесс м ассаобмена с р а бочим тело м н аддув а . Интенсивность м а ссаобмена зависит о т физических свойств компонентов топл и в а и р а бочего тел а наддува , тепловых потоков в ба к ах и н а п р авления движения газов. Кроме того, н а х а р а ктер образовани я и стекания ж идкой плен­ �<И оказывает вл ияние вибр � ция поверхности бака во врем я р а бо­ ты ЖР д . В виду того, что х а р а ктер этих в и б р а ци й в настоящее время достаточно не изучен, то, естественно, невозм ожен и учет ВJJ Ияния вибраций на процесс обра зования пленки . Очевидно, что толщина жидкой пленки определенн ым обр азом зависит от формы поверхностей, н а кото р ых она о б р азуется, и от н а кдона этих поверхностей по отношению к м а ссовым сил а м , дей­ ствующи м на элементы жидкости в пленке . Учитывая большой ди а м етр бака по с р а внению с тол щиной пленки, можно жидкую пленку сч итать плоской и р ассм атривать внутреннюю п овер хность бака как сумму вертикальных и горизон­ тальны х плоски х элементов. Ниже п р и водятся зависимости дл я р а счета средней толщи н ы этой пленки н а вертикальны х и гор изонтальных элемента х б а ков от с корости опускания уровня жидкости и физических свойст·в ее. При и звестной средней толщине пленки б ко"1ичество жидкости на ее образование м ожет быть определено ка к произведение Gп:r = бpF,

где F - поверхность, обнажившаяся в р езул ьтате опускания уров­ н я ж идкости з а время т от начала опорожнения . О п редел е ние средне й т ол щ и н ы жидк о й п л ен ки н а верти к ал ь ных э.r1 е м ентах т о пл и вн ых б ако в

Поверхн ость жидкой пленки, образующейся н а стенке топл и в ­ ного б а к а п р и опорожнен и и . и м еет довол ьно сложную форму, кото­ р ая з ави сит от физических свойств жидкости , с кор ости опус к а н и я 75

е\:) уровн я и от ф о р м ы в нутренне й поверхности бака. Одна ко для р асчета кол ичества жидкости, затр аченной н а образование плен­ ки, впол н е достаточно з нать тол щину ее, осредненную по всей смо­ ченной поверхности. В этом случ ае ср едня я толщина пленки б, очевидно , зависит от скорсети опускани я уровня w , времени т, ускорения сил ы тяжести g, плотности ж идкости р, коэффициент ов динамической вязкости 1-t и поверхностного н атяжен ия о. Последни е три п а р а м етр а х а р а ктер и­ зуют физические свойства жидкости . Таким образом, п о- в идимому, все переменные будут учтены, есш1 з а п и ше м o = f (w , t , g, р , :J. , cr). (5 . 23)

В ыр ажение (5.23) п редста вJi яет зависимость м ежду семью р а з м ер ­ н ым и ве.Ji ичин а м и . Есл и и спользовать м еждународную систему еди­ н и ц, то согл асно П -теореме функцию ( 5.23) можно представить как зависимость четы рех безр азмерных груп п . П р имени м анализ р азмер ностей, чтобы из общей функции ( 5.23) получить уравнение в кр итер и а л ьной фор ме. Дл я этого запишем в виде степенного одночл ена б = A w a тЬgcpdj.teat. И з уравнений дл я сравнени я показателей, вырази в через Ь, с, е все остальные показа ­ тел и, получим а = е-4с + 3Ь - 2 ; d = b-c-- 1 ; f = c + l - b - e и затем 0 = Aw< e -4c +3b-2)tbg c p ( b-c- l ) t.J. e0 ( c + l- b- e ) или

о=А

( w: / (:4: у ( w:р и / ( : ) 2р

.

Груп п а ,a/ w2p и м еет л инейную размерность в первой степени, пе­ реведем ее в левую часть ура внения : o w2 p = wзри ь . g;a с А (5 . 24) а а w4 p а В ыр ажение ( 5.24 ) перепише м в следующем виде:

( WfL )е ( ) (

Rea = A Re� Frr we�. wo g Reo = -- - кр итер ий Рейнол ьдса

где Re h

_ _

g w2 1J fL

{J.

_ _

pw h

_

{J.

_

_ _

х= •

(.5. 25 )

.. по средней толщине

пленки ; кр итери й Рейнольдса по р а з м ер у h = Wt cooтветствующему п онижению уровн я жидкости со скор остью w за время т; кр итер иii Ф р уда ;

2

w Fr = go \Ve o = cr pw2o

кр итер и й В ебер а ;

-; е+Ь 1

m= -

-- ; с

е+Ь

n=

c+ l -e-b

е+Ь

Численные значения коэфф и циента А и показателей степеней формул ы ( 5.25) подлежат экспериментальному оп р еделе-

у_ , т, n 76

)

р ис. 5 . 1 3 . З а в и с и мость отно ш е н и я б/В от с корости о11ус к а н и я уровня жидко­ стей в баке

н и ю . Та кое опре.:�.еление :х., ().16 1-----+---+-">t""""���f----� n было прове.:�.ено .:�.ля трех жи.:�.костей - во.:�. ы, -с п и р т а и кероси н а . Из бач- ода 1--�хЬ�.0...._+----t- BoiJa к а , за пол ненного одной из " Спирт у казанных жидкостей, в вер� Кероси н т и кал ьном н а п р а влении с о 2 ч 6 8 w· 10!,.,/c р аз.:1 ичным и ф и ксированными с коростя м и выни м алпс ь п.тюские м еталл и ч еские пл асти н ы . Средняя тол щи н а пленки б о п р е­ делялась по р азности м ассы см оченной и сухой пл асти н ы , площади поверхности пласти н ы и плоl'ности жидкости . В резул ьтате обра ботки экспер и м ентальных данны х получены следующие численные зна чения постоянных : А = 1 ; :х. = О ; m = 0,75 ; n = -·0 ,25 в формуле ( 5.25) . Таким образом, кр итер и альное уравнен и е ( 5.25 ) может б ыть з а п иса н о •!· т,

Fre0o, 7. 25s \V w B = 8 o, 667 , Re

отку д а

V0 , 667 (-р- )0,167 В- 0 g • _

г де

5

а

•

•

( 5. 26) ( 5 . 27)

Н а р и с . 5. 1 3 показава зависи мость вел и ч и н ы б/ В от скорости опускания уровня w , р ассч итанная по фор м ул е ( 5.26) , и соответ­ ствующие э кспер и м енталь н ы е данные. Ка к видно из этого гр афи­ к а , формул а ( 5. 2 7 ) удовл етворител ьно аппроксимирует экспер и ­ м е н т ал ьную зависи мость и может быть р еком е ндована д л я опреде­ ления средней толщины пленки, образующейся на внутр енней с1 ен ке и верти к а л ь н ы х эл ементах внутренней а р м атур ы топл ивных б а ко в при их опорожнении. О п редел ен и е средп е й тол щ и н ы жи д к ой пл е н ки н а по п ер е ч н ых эле м ентах топ л ив н ых б а ков

О п р еделение средней тоJiщины пленки жидкости н а внутр енних поперечны х элем е1-п а х топл ивны х б а ко в п р оведем , т а кже исполь ­ зуя а н а л из р а змер ностей. С редняя тол щина это й пленки б , очевидно, явл яется функцией коэффициен та поверхностн ого н атяжени я а, ее плотности р и ус ко ­ рени я свободного падения g , т . е. ( 5. 28) *

Индекс б

в

формуле (5.26) опущен. 77

П р едстави м эту функцию в в иде степенного одночлена б = Cu11 p ьgc. Из уравнения для сравнения показ ателей получ юr а = 0,5; Ь -0,5; С = - 0,5. Откуда б2 = С о/ (gр) или в критер иальном виде _ = We C 1 . (5. 29) =

-

Fr

Для определения ч исленного значени я коэффи циента С были п роведен ы опыты, результаты котор ы х в виде зави с и м ости б = f[o112f ( pgnx ) 112] предста влены н а гр а ф и ке ( р ис. 5. 1 4 ) . Э кспер и м е н ­ тальные точ ки для трех жидкостей ( вода , с п и р т и керос и н ) р а спол а ­ гаются н а одной прямой, угловой коэффициент которой р авен численному з н ачению VC = 0,6, откуда С = 0,36, -= =-

о = 0 ,6

или ( в кр итер иальном виде)

1 v

..

\н _ 0 , 36 ..v e -

-

Fr

а

pg

(5. 30)

.

Формул а ( 5.30) м ожет б ыть и спользов ана для р а счета кол иче­ ств а жидкости , остающейся н а внутренних поперечных элементах топл ивного б а ка при опускан и и уровня жидкости ниже этих эле­ ментов . 5.4. П Р О Ц Е С С ЬI НАД СЛ И В Н Ы М И О Т В Е Р СТ И Я М И Т О П Л И В Н ЫХ БА К О В

Ф из и ч е с ка я картин а п рор ы в а г аз а в с л и вно й трубопровод

П р и в ысоте жидкости в б а ке, р а вной Ннр, наблюдается прорыв газа в сл ивной трубопровод . П роцесс перемешивания жидкости и газа в сл ивном трубопр оводе з а висит от секундного р а схода жидко­ сти и вида з а бор ного устройства , п р и меняемого в б а ке для искл юче­ ния вихр евой воронки. Установi<а н а д сл ивны м отверстием ш1 асти н и профилированных заборных устройств приводит к уменьшению критической высоты , п р и которой п роисходит п р о р ы в г а з а в сл ивной трубопровод, по ср а в нению со сливом ч е р ез о т ­ б; мм г---,----.----.---� в ерсти я , н е и :м еющих таких ус т ­ ройств . В ы сота уровня ж и д кос т и п р и которой про исходит п р о р ы в г а з а в т рубопровод, ;1д я пл а сти ны и пр офилированного з а боринка о в а аа оста ются п р а кти чески оди н а кох Спирт ковым и . ,

l!.

78

Керосин

Рис. 5 . 1 4 . Зависи мость то.� щ и н ы п л е н к и ж и д ­ к о с т и н а горизонтал ь н ы х плос костях от K O I\t n .�e кca a;pglz x

у

Рис. 5.15. Фото процесса сли­ ва остатков жидкости из ба­ ка в сл ивиоil трубопровод для ч исла Ф руда F r = 3 ,85

Н а р ис. 5. 1 5, 5. 1 6 и 5. 1 7 в качестве п римера показаны картины сл ива ж идкости посл е входа воронки в сл ивное отверстие п р и р аз­ личных режимах течения ( Fr = 3,85; 1 1 ,4 и 2 1 ) . Из рисунков видно, что н а процесс сл ива жидкости из днища б а к а существенное влия­ ние оказывает режим течения. При малых зна чениях ч исел Фруда ( Fr = 3,85 , см. р ис . 5. 1 5 ) на­ блюдается следующая картина сл ива . П о мере приближени я сво­ боJ.ной поверхности к сливному отверстию пр н некоторой в ысоте н а бл юдается незн а ч ительный п рогиб ее,. котор ый переходит в ворон ­ ку с гор и зонтальной площадкой над сливным отверстием . К момен­ ту в х од а воронки в сл ивпой трубопровод в б а ке остается незначи­ тел ьное ко.1 и ч ество ж идкости, которое пол ностью успевает стечь по стен ке трубопровода за время перемещения свободной поверхно ­ сти жидкости в трубоп роводе н а расстояние пр имерно двух дпа м ет-

79

1

0, 0/Ис

r - 0,1{J/Jc

l-П,Л•iс

l

[/,ffl{ic

l

0, 11/t:

l

f!, � f8r

s;J6. Фото п роцесса слив а остатков Ж lt д костн б а к а в сл и вной трубопровод дл я qисл:> Фруда Fr= l l ,4

Рис.

80

и�

L

= 0, ,

lJ

l - 0, ! 71r.

сл и в а остатков Рис. 5 . 1 7. Фото процесса жидкост и нз б а к а np 11 установке тарел 1t иад сл1tвиым отверстием для ч исл а Фруда

Fr=21

81

ров трубопровода . Из р исунка в идно, что сл и в жидкости с днища бака в сл ивно й трубопровод происходит без за хвата газа под сво ­ бодную поверхность ж идкости и завершается в течение п р и м ерно 0,3 с. На р и с. 5. 1 6 показаны процесс ы сл и в а пр и значениях числа Фру­ да 1 1 ,4. Из сравнения р и с. 5. 1 5 и 5. 1 6 видно, что при Fr > 10 искр ив ­ ление свободной повер хности жидкости в б аке ( воронкооб р азовз­ нне) происходит пр и сравн ител ьно бол ьшом уровне жидкости. П р и ­ мерно через 0,20 . . . 0 , 2 5 с образующаяся воронка садится на сливное отверстие и начинается свободн ы й слив жидкости из бака в сливной трубопровод. П о мере стекани я струи жидкости с днища бака п р о­ н еходит з а хват газа и дальней шее его проникание со струей жидко­ сп! под свободную поверхно�ть в сливном трубопроводе . Так, через 0,04 с посл е входа воронки в сливное отверстие наблюдается следу­ ющая картина течения жидкости . В центре сливного трубоп ровода движется смес ь жидкости с газом, занимающая п р а ктически весь объе м трубопровода . Остатки жидкости с днища б а ка стекают тон­ ки м слоем вдол ь стенок трубопровода. П о мере слива жидкости из днища бака объем газажидкостной смеси увел ичивается, а толщи­ на слоя жидкости уменьшается . Пол н ый сл ив жидкости из бака завершается п р и мерно через 0,7 с . Учитыва я тот факт, что с корость дв ижения жидкости в трубо­ проводе н а порядок выше скорости всплытия газов ых пузырей, п р и значении числ а Ф руда больше 1 0 остатки жидкости в б а ке н а м о ­ мент входа воронки в сл ивной трубопровод п р а ктически невозмож­ но испол ьзовать для двигательной уста новки. Н а рис. 5. 1 7 показана картина прорыва газа в сл ивной трубо­ п ровод при уста новке тарел и над сл и в н ы м отвер стием при значении чпсл а Ф р уда Fr = 2 1 . В оронкооб р а з ов ан ие бе з вр ащ е н и я п р и с л и в е ж ид кости ч е р ез донное отв е рсти е

П р и сл иве компонента топл ива через сл ивное отверстие в б а ке в конце опорожнения обра зуется воронка , пр иводящая к д вухфазно­ му течению в сл ивном трубопроводе. Двухф азное течение недопусти­ м о, в связи с чем приходится откл ючать дви гательную установку до полного опорожнения топл ивного б а к а . Известно, что пер еход к двухфазному течению п р и вихревом воронкаобр азовании происходит при больших в ысот а х уровня, чем п р и возни кновен и и воронки без вр а щения . Поэтому для уменьше­ ни я остатков незаб ор а п р и н и м а ют определенные меры ( н а п р и м е р , с тавят н а п р а вляюшве ребра, искл ючающие обр азование вихревой воронки ) . Из р и с . 5. 1 5 и 5. 1 6 видно, что н а п р о цесс слива ж идкости з н а ­ чительное вл ияние оказыв ает режи м течения . В ысота уровня жид­ кости Ннр, п р и которой происходит п роры в г аза в сл ивной трубо­ п р овод, называется кр итическим уровнем . Величина Ннр/d (где d 82

Таблица 5. 1

Значен и я коэффи циентов А и /1 в ф ор м уле ( 5.3 1 ) И с т оч ни к

[ 1 7] [68]

L53J

n

А

1

0 , 55 0 ,57 0 ,55

0 , 42 0 , 40

0 , 55

А

И с точ н и к

[72] [ 75 ]

0 , 43 0 , 69

n

0 , 50 0 ,40

д и а м етр сливного отверстия ) называется относител ьны м кр итиче­ ски м уровне м . Дл я определения критического уровня используются полуэ м п и ­ р ические зависи мости вида H кp = A Fr;·' d

ИЛИ

Нкр

( W )n ,

А (5. 3 1 ) V nxg d где Fг - ч и сло Фруд а ; w - среднер асходн ая с корость в трубопро­ воде; nx - перегрузка . В табл . 5. 1 п р и ведсн ы значения коэффициенто в А и n. В р аботе [ 1 7] рекомендуется э м п и р и ческая формула для опреде­ ления Нн р с учетом с ил вязкости

d

-

(

'

)

(5.32)

64 Fr0 • 275. Нкр = 0 . 42 1 -+-' Re Р а счет по формул а м р а бот [68, 74] дает значение Н"Р• близкое к р а ссчита нным п о фор муjJ е ( 5.32 ) .

В оронкообразов ан ис без вр а щ ен ия п ри установ к е т ар елей н ад с л ивн ы м и отв е рстия м и топл и в н ых б аков

Тарел и , уста новл енные н ад сл и в н ы м и отверсти я м и , приводят к уменьшению критической в ысоты Н"Р• по ср авнению со сл иво м через отверсти я в днище. Критическая высота уровня, п р и которо й про­ исходит прорыв газа к сливному отверстию, м ожет быть опредед е­ н а для ш и р окого ди а п азона чисел Фруда и Рейн ол ьдса по фор муле :

:�р = cr [0 ,42 ( 1 + :� ) ( :: )0'275 J 9 = X -f- Jg � ; Х = 0,96 - 0 ,06 ( :г - 1 ) ; у = О , З:2 + О , 1 6 ( �r - 1 ) , у

;

(5 . 3 3 } (5 . 3 4) (5 . 35) (5 . 36 )

где Н�р - уровень ж пдкостп в б а ке, п р и которо м происхоJ.ПТ п р о ­ р ы в воронки в сл пвной rрубопр овод ; Ь - высота установки т а р е<1 1 1 83

н а д дни ще:-.1 б а к а ; dт - ,1: и а м е т р сл ив ного т а р ел и ; d - д и а м етр трубопр овода ; n , - осевая пере­ грузка р а кеты . Фор м у л ы ( 5.33 ) . . . ( 5.36) м ожО,J но испо"1ьзовать п р и р а сч�тах дл я топл ивных б а кон с плоски м и и пологи м и сферически м и и элл ип­ ти ческим и днища ми. Н а р ис. 5. 1 8 п р иведены графи­ Рис. 5 . 1 8 . з а в исимость козффициевта ер от соотнош е н и я Ь!dт дл я разл и ч н ы х значений d т fd КИ , хар а ктеризующие эффекти вность п р и м енения тар елей для уменьшен и я остатков незабор а ком пон ента топл ива по с р а вне ни ю с о сливом через заборное устр ойство без тарел и . П р и соотношения х d1 /d д л я т а р елей , л ежащих выше л и н и и А В , н а которой пdт Ь лd2/4, происходит рост сопроти вл ения н а забор­ ном устройстве из-за потер ь н а сжатие и р асширение. Уменьшение д и а м етра т а рели менее 1 ,75d нецелесообразно всл едстви е снижени я ее эффективности как воронкогасителя . Уве­ личение д и а м етр а тарели более 3d неэффективно из-за р оста потер ь давления н а з а борном устройстве и его м ассы . Для существующих р а кет значения dr/d и b/d р асположены в з а штрихова нной зоне. Дл я таких заборных устройств и м еет место плавное увел ичение скоро­ сти жидкости по д тарелью, коэффициент сжатия достигает величи­ н ы = 0,95. Следует отметить, что в каждом кон кр етном случ а е вы­ бор о птимал ьного соотношения dт/d и b/d цел есообразно п роводить н а основ а н и и а нализа м ассы систем ы подачи в цел о м ( в кл ю ч а я си­ стему наддув а ) . Т а кой подход к проектирова нию необходи м т а кже при выборе соотношения d-:/d и b/d в зоне А ВВ'А '. =

5 .5. П Р ЕДОТ В Р А Щ Е Н И Е К А В И ТА Ц И И В З А Б О Р Н ОМ УСТ Р О й С Т В Е

П р и движении ж идкости в з а борном устройстве скор ость п ото­ ка увел и ч и в а ется . Это п р и водит к снижению статического давле­ НI ! Я . Пос.ТJ еднее может п р ивести к ка зита ци и , котора я н а ступ а ет, когда статическое давление ниже давле- r---1 н и я н а с ыщенных п аров жидкости . Давление насыщенных паров некотор ы х компонен тов топл ива велико, поэто­ му исключить явление кавита ции :м ожно - -----устрой­ заборного я профилировани путем ств а т а к и м обр азом , чтобы статическое "-.. давле н ие в л юбом его сечен и и п р е в ы ш а ­ ж:идкостп ов р а п ло давление н а сыщенных при данной темпер атуре. 1 1 Бескавита цион н ы й п рофиль з а б ор ного �� - -

�

�-- - �- --

Р и с . 5 . 1 9. трубы

84

Расчетная

с х е м а - конфигураци я

заборной

-- -�-

�h

устройств а можно п р ибл и:женно р ассч итать исход я из уравн ения Бе р нулл и . З а п ишем ур авнение Бер н улл н для сечен и й а и Ь забор ­ ного устройств а ( р ис . 5. 1 9 )

w2а w2ь + раhа ь = Рь + Раh + Р _ , Ра + Р _ 2 2

( 5.3 7 )

где а - продол ьная составjrяющая ускорения р а кеты ; h - высота с1 ол б а жидкост и ; Ра -· · статическое да вление в точке а; Рь - ста ­ тическое давление в точке Ь ; W a - скор ость в сечении а ; wь ­ скорость в сечеl-iии Ь ; р - пл отность жидкост и ; lzaь - потери напора п р и движении ж идкости от сечения Ь к сечению а . П р и п р оектиров ании забор ного устройства м иним альной дл и н ы н еобходи мо, чтоб ы статическое давление в нем б ы л о п остоянным . Следовательно, п р и условии рь = Ра уравнение ( 5.37) будет иметь вид

w2

___!!_

2

w2ь + аh а ь = а /1 + _ .

(5 . 38 )

2

В уравнении ( 5.38) з а мени м u:: a и wь выр ажениям и 4Q 4Q -, 'l-:'a = -- , W ь = -лDь2 ·лDа2

(5. 39)

где D a - диаметр в сечении а ; Dь - диаметр в сечении Ь ; Q - р а с­ х од жидкости в еди ницу времени. П одставля я выр ажени я { 5.39 ) в уравнение ( 5.38) , получи м з а ­ висимость для определения ди а метра з а борного устройства Dь от вертикального р асстоя н ия до места соединен ия с топл ивной ма гист­ р а л ью t; 4 8 Q2 D ( 5.40) """"� -:;. 8 Q 2/ D� + ;t2 a ha ь - л2 а h

-[

]

В ыр ажение (5.40) х а р а ктер изует потер и н а п о р а по дл и н е з абор­ ного устройств а . В ел и ч и ну потерь давления п р ибл ижен:но можно оп ­ р еде. rшть по формуле Дарси-В ейсбаха, котор ая в случ а е р а вномер­ ного дв п.ж:ения жидкости в I{ругл ых труба х имеет в и д т

w2 h lta ь = A - -- , D 2,g

(5.4 1 )

де ''л - коэффициент гидравлического соп р отивления; g - ускоре­ ние свободного падения. Если отнести п а р а метр ы в формуле ( 5.4 1 ) к сечению а , то м ы получи м н есколько завышенное значение потерь , т а к к а к wa > wь и D a < Dь . П оэтому п р и р асчетах можно воспользоваться средним з н а чением коэффициента гидр а вл ического сопротивления 1:, опреде­ ..пяем ым из р авенства (5.42 ) 85

где � - коэффиuиент сопротивления заборно го устройства ; дл и н а за б о р ного устройства . С учетом ( 5.42) выражение ( 5.40) п реобразуется к виду 8 Q2 ь8 Q2 .,.

r

_

D

или

-

(1

+ лh/ Da)

D� - ;r.ah

J

1 /4

/z3.y ­

( 5 . 4 3)

(5.44)

Если п р енебреч ь потер я м и в заборном устройстве, т. е. поло­ жит ь Л = О и � = 0, то получи м фо р мулу бескавита ционного профиля заборного устройства , приведеиную в [3 1 ] . s Qz Dь 8 Q2/ D� - лZah

]1/4 .

-[

5.6. Т Е Р М ОД И Н А М И КА ГАЗА В БА К Е

Давлен и е газ а в б а ке в л юбой момент вре мени -r можно п р ед ста ­ вить в виде п р остой зависимости, в которую входят м а сс а га з а внут­ ри б а к а G, полный объе м газа V, средняя темпер атур а Т и среднее значение газовой п остоя нной внутри бака R : ORT Р = -v (5.45) ·

Значение п а р а метров G, V и R дл я л юбого момента времени м ожно получить и з следующих уравнений : (5 . 46 ) "' = Va + R=

'" "

S lid t;

u

(5 . 4 7 )

� .gJ{,;

(5. 48)

__!l_i_ }:.Q i ,

(5 . 49 )

u.-

J:> l -

где G0 - м асса газа п р едвар ительного наддува , кг; d - сум м а р н ы й с екундн ы й р а с х о д га за н а н адду в б а к а , к г/ с ; Vo - об ъ е м недол и в а топл ивного б а ка пр и з а п р а вке, м 3 ; V - секундное значение объем ­ н ого р асхода ж идко сти и з б а к а , м 3 /с ; gi - м а ссова я доля i-го г а з а в составе п р одуктов сгор а н и я ; G i - м асса i-го г аза в составе р а б о ­ чего тел а ; R i - газ о в а я постон нная i-го г а з а . 86

Об ычно на и больши м изм енения м подвержены м асса и объем га ­ з а и от н и х , следовател ьно, в первую очередь з а висит давление в б а ке. И зменение массы га з а дл я наддува б а ка можно определ ить из соотношения р асходов поступ а ющих в б а к г азов ( ил и истекающих и з б а ка ) с учетом всех пр оцессов массаоб мена в б а ке м ежду жид­ кой и га зооб р а з н ы м и ф а з а м и . И з м енение объе м а газа р а вно и про­ тпвопо.'lожно ( п о з н а ку ) изменению объем а жидкости в б а ке. Изменение темпер атур ы газа в б а ке определ яется из уравнения б а .'l а нса энергии для всей м ассы газа . П р и составлении уравнения б а.'l а нса необход и м о учитыв ать : удел ьную энтал ьп и ю и р а сход г а з а н а н а ддув б а к а ; теплом ассаобмен м ежду газо м , ж идки м компонен - ­ то м и стенко й б а к а ; изменение внутр енней э н е р г и и газовой ф азы и р а б оту р а с ширения. Определение да вления по уравнению ( 5.45) возможно л и шь в том случ ае, есл и извест н ы термоди н а м и ческие свойства р ассматри­ в а е м ы х газов, ус.'lовия тепло- и м ассаобмена внутри б а к а , р а сход и темпер атур а поступающего га з а и р асход и стека ющего из б а ка ком ­ nонента топл ива . Т а к п м образом , в процессе н аддува топливных ба ков р а кет п а ­ р а м етр ы г а з а в н у т р и б а ка изменяются во времени. Кроме того, в п р о цессе н аддува топшrвн ы х б а ков р а кет возможно стр авливание ч асти газа через дренажный кл апан . Поэтому наддув б а ков п р ед­ ста в.1 яет собой rт р н мер п роцессов с переменны м кол ичеством г а з а . В ывод о с новн ы х у iJ а вн ен и й т е рм оди н а м и ки т е л а п ерем е н но й м асс ы

В процессе наддува п а р а метры газа в б а ке изменяются во в р е­ мени. Кроме того, и з м е н я ется м асса га з а внут р и б а к а к а к в р езул ь­ тате физических процессов исп арения и конденс а ции, так и в ре­ зул ьтате п ротека н и я хим ических реакций между г �зом наддува и жидкостью, а т а кже из-за сброса га з а через дренажный кл а п а н, т. е . процессы н аддува протекают с переменн ы м количеством г а з а в б а ках. Н а р ис. 5 . 2 0 п р и недена р а счетна я схем а для определения п а р а метров систем ы н аддува . В момент времени т = О на ч и н а ется наддув б а к а продукт а м и газогенер атора, сост а в которых, а та кже давление р* и темпер атур а Т* известн ы . П а р а мет р ы газа на вхо­ де в бак несколько отлича ются от п а р а метров н а в ыходе из газо­ генер атор а ( в основном ведедетвне теплоотдачи в газаподводящем трубопроводе ) . П р и постоя нном р асходе жидкости скорость п р и ­ р о с т а объема газа б а к а остается постоя нной dV d -r.

rl�-

- = -'

Уж

= СОПS t .

Рассмотр и м энер гет и ческий баланс газа наддува , з а ключен ного свободном п рост р а н стве топл ивного б а к а . Обоз н а ч п м Go, Gн. Gн, Gд - соответственно секундные м ассо­ в ы е р а сходы газа, поступа ющего в б ак, исп а р я ющегося компонен1:1

87

Р 11с. 5.20. Расчетная с х е м а для определ е н и я п ар а метров с оt­ стемы н аддува

та, конденсата , в ы п адающего из газа над­ дув а внут р и бака, газа, уда.11 я ю щегося через дрена жно-предохр а н ительн ы й кл а п а н и з бака; л 0, л н , л 1, , л � - удельн ы й п р иток ( и л и унос) энергии с соответствующюш :v� а ссовы м и р а сходам и газа G 0, Gн, Gн, G�. Далее, дл я опр едел ения из:v�енен ия энер­ гети ческих элементов газа н аддув а , з а кл ю ­ ченного в свободном п р остр анстве ем кости за вре:v�я dт , обознач и м : dQw, dQж - потери тепла в р езультате теплооб :v�ена м ежду стен ­ к а м и бака и поверхностью жидкого ко:v� по­ нента топлива ; dQx - тепдовой эффект х и ­ м и ческих реакций и физико-химических п ревр а щений н а г р а н ице р а здед а ; d U - п з :.tе­ нение удел ьной внутр енней энергии газа в баке ; р V - р а бота вы тесне н ия жидкого компон ента из б ака ; л о G�dт - кодич ество энер­ гии, п оступ ающей в свободн ы й объем б а к а в связи с п р итоко:v� Ga кг га з а ; л н G иd т - кол ичество энергии, вносимое в объем и с п а р я ю ­ щимся ком понентом топл и в а в с в я з и с пр итоком Gи к г п а р о в ; л н Gнdт - кол ичество энергии, п отерянной из объе м а газовой « П о­ душ ки» в связи с в ы п адением в конденсат G д dт кг газа ; л д G дdт - ко­ личество энергии, п отерянной из р а бочего п р остр анства в связи с истечением Gд G�dт кг газа через дренажный кл а п а н . П о з а кону сохр анения энергии д.11 я г а з а , з а ключенного в сво­ бодно м объе}{е б а к а , будем и м еть л aCiad-t + л "011 d т + (dQw + dQж + dQJ = dU + pd V

+ лilкd -t + л /J11 d T,

(5 . 50 )

или

�·дед ьные п ритоки (уносы ) энерг и и можно выр азить так:

dQтp где i* - энтальпия га з а на в ыходе из газогенерато р а ; --;;:;- - се кундн а я п отеря энергии н а теплоотдачу в газаподводяще м к а н а л е ; i11 - э н т а л ь п и я п сп а р я ющегося ком понента; iн - энтальп и я кон­ денсата ; i энтальпия газа в нутри б а ка . -·--

88

У р ав нен и е с ко ро с т и изм е нения давлен и я

Соста в газа внутри бака изменяется в р езультате х и м и ческих р еакци й в самом р а бочем теле, а также в р езул ьтате тепло - и мае­ сооб мена м ежду жидким компонентом топл и в а и газом наддува . Диффер енцируя по времени выр ажение для внутренне й удель­ ной энергии V = p V/ (k- 1 ) и учитыв ая, что k = cp/Cv = f (т) получим dV + dp .P V dk ) dU = I (5.5 2) V P __

dlJ

(

_

k- 1 '

dt

k- 1

dТ!.

dt

'

(5.53)

П ос.тr е подстановки в ы р а жений :тtо, :тt11, :тtк, :тtд и d U/dт из ура внения ( 5.5 1 ) в уравнение ( 5.53) по.л учим dp dт.

=

+.

k - 1 [d Qж _ d Qw d Qx + V d• d 1J dt

.d

. О

l и G и - lк к - l л.

k k- 1

+

(i* -_;_

dV d т;

00

d Q .rp d-c

pV

) йа+ dk l

J

( 5.5 4) • Уравнение ( 5.54) п р едставл я ет собой выр ажение для скорости из­ менени я давлени я внутр и бака и являетс я удоб ной зависимостью для р а счета и исследования п роцессов с персменным кол ичеством газа. д

-

р

+

( k - 1 )2

d lJ

У р ав нен и е изм енен и я к о л иче с т в а рабо ч е го т ел а

Для изменения кол ичества г а з а в свободном объеме бака з а в р е м я dт будем и м еть d0 = 0adt + 08dt - Oкdt - Gлdt (5.55 )

или

где G - кол ичество газа · в свободном объеме в момент времени т. У р ав н е н ие и змен е н ия с о с тоя ния перем ен и ого к ол и че ст в а г аз а

П р и исследовании х а р а ктер а п роцесса с персменным коли чест­ вом газа существенно важна зависимость dp/dy = f (т) , п р едставл я ­ юща я з а ко н изменения состояния перемениого количества га з а . Э т у з а виси мость мож но п олуч ить следующим обр азом. Дифференцируя выр ажение у = G/V, получи м

-=- ( ., dy dlJ

1

v

·

Ga+ O

и

-0. -у ·

д

·) dV -0 . . Т!. d к

( 5 . 56)

Из ур авнений ( 5.54 ) и { 5.56 ) на ходим уравнение изменени я состоя­ ния перемениого кол ичества г а з а

89

dp

-

dy

= (k

dQж

-

1)

(···

[ (- + - + - ) d Qw

d-� '�

d_ •

____

.

.

____

.

)

. 1 d Q rp d Qx + 00 t "' - + . - -d_•_ d��· �--�----O�n ' �--

.

О о + О,1 - Ол - О к -

V

dV d•

___

.!!!:... 1 dt

(5 . 5 7 )

Ур авнение ( 5.57 ) называется ур авнением и з м енени я состоя н ия перемениого кол ичества газа . И з ур авнения видно, что в п роцессах с переменны м кол ичест вом газа для однознач ного определ ения со­ стоя н ия газа необходимо и м еть значения не двух п а р а м етров, ка к в случае пр о цессо в с постоянны м кол ичеством газа, а зн ачения тре х п а р а м етров. Новым допол н ительным п а р а метром яв.1 я ется время т. . Все остаJiьные величины, входящие в уравнение (5.57) , очевидно, будут я вляться функция м и времени . П р и известных значен и я х давления р = р ( т. ) и плотности газ а v = v (т.) в подушке б а к а темпер атуру г а з а Т (т. ) можно н айти из ур а внения состоя ния p = yR T.

Глава

6

Р А С Ч ЕТ П А Р А М Е Т Р О В ГА З А В Е М КО С Т И П Р И Е Е О П О Р О Ж Н Е Н И И

П р и решении м ногих и нженерных з адач возникает необходи­ м ость в определении п а р а метров г аза в е м кости в ысокого давления п р и ее опорожнении . В р а боте [52] р а ссмотрены два м етода р асчета указанного про­ цесса . Первы й и з ни х осн о в а н н а предположени и об отсутствии теп­ лооб м е н а м ежду газом и стенка м и сосуда. Во второ м м етоде р а счета п р едл агается способ определения показ ателя пол итропы n , п р и бл иженно учитывающего теплообм е н м ежду стен к а м и е м косrи и газом . П р и этом з н ачение n приним а ­ ется постоянны м для всего п ро цесса . В р а боте [5 1 ] р а ссмотрено и стечени е га з а из е мкости постоянно­ го объе м а через сопло с переменно й во времени площадью крити ­ ческого сечения пр и адиа б атическом и изометр ическом п роцессе и з м енения п а р а м етр о в г а з а в е м кости. Действительный процесс изменения п а р ам етров в газовой е м кости п р отекает п р и пер еменнам показ ател е политроп ы . В р а боте [63] получена кр итер и альн ая зависимость для р а счета коэфф и циента теплоотдачи от газа к стенке ем кости. Р а счет п а р а ­ м етро в в е м кости сводится к ч исленному и нтегр ированию уравне­ н и й ( 6.2) . . . (6.3) совместно с уравнением изм енения темпер атур ы стенки . Н п же п р и ведено р ешение з адачи о р а счете п р оцесса опорожне­ н ия е м кости через отверстия постоя н ной и переменной площади при с верхкритическо м истечении с учетом теплообмена м ежду га­ з о м п стенка м и, а т а кже р а счет п а р а м етров га з а в е м кости п р и опорожне н и и ее ч е р е з г а з о в ы й редуктор . 6. \ . О КО Э Ф Ф И Ц И Е Н Т Е Р А С Х ОДА П Р И И СТ Е Ч Е Н И И ГАЗА

Р а сход газа при изоэнтр оп ическом одномерном течен и и подсчп­ тывается по газоди н а мической фор м ул е (6 . 1 ) где р , Т - соответственно давление тор м ожения и температур а торможения га зового потока ; f - площадь сечения потока ; 91

k+l ; .)k: (k + 1

... 1 k

т= V

2

га зодин а м ическая функция. Формул е дл я подсчета р а схода через сужива ющее сопло обыч­ но п р ида ют вид, а н алоги ч н ы й ( 6 . 1 ) , только под р и Т пон и м а ют п а р а м етр ы тор можени я в р езервуа р е, и з которого истекает газ, а неизоэнтропичность и несдномерность течени я учитыв а ют введе н н ­ е м в п р а вую ч а сть ур а внения ( 6. 1 ) попр а вочного м ножителя �t c , кото р ы й н азывается коэфф и циенто м р асхода сопл а :

Oc = �c mf }1�- q (Л). т

Коэффициент расхода �tc зависит от переп ада давлений � = PcriP и фор м ы сопла и определя етс я э кспери ментально. У хорошо спро­ филиров а н н ых су ж ивающихся сопел коэффициент р а схода �t c р а ­ вен, п р и мерно, 0,9 6 . . . 0,99 и достига ет м а ксим ального значения п р и перепаде давлений, близком критическому

k k �кр = (k : l) - 1 •

З начение q (Л) вычисляется по теоретическому значению коэф­ ф и циента скорости Л, которое п р и докритических переп ада х давле­ ни й находят из соотношения

(

+k- I = _Е_ = 1 k+ 1 � Рс р

_ 1

Л2)k-х. k

а п р и � � �кр Л = 1 . В посл еднем случ ае q (Л ) да п р и н и м ает более п ростой вид :

Oc = !J-cm f

�т

=

1 и фор м ул а р а схо­

·

П р и и стечении га з а через отверстие то й и л и иной фор м ы р ас­ ход газа можно выразить т а к же, к а к и при истечени и через суж и ­ ва ющееся сопло :

0 = !1- m/ � q (Л} при � > �кр ; O = �m f

у

т

�-

} т

п р и � -< � кр ·

Под коэффициентом �� в это м случ ае пон и м а ют отношение дей­ ств ительного р асхода газа через отверстие к теоретическому его р асходу через сужи ва ющееся сопло, и м еющее ту же площадь попе­ речного сечени я н а в ыходе, п р и одно м и том же переп аде давлен и й . Теоретическое решение шюской задачи о б истече н и и идеа.1 ьной несжим аемой ж идкости через отверстие в бесконечно тонкой стен­ ке было получено Кирхгофом 1 1 Н . Е. Жуковс ки м . В ы ч и с.1енное з н а ченпе коэффициента р асхода * оказ а.1ось р а в н ы м �� 0, 61 . =

92

Р и с . 6. 1 . И з м е неюtе коэффициента расхода отверстия с острой кромкой в зависи мости переnада давл е н и я

ft .----,----т- ·----.--,

Решение п"1оской з а д а ч и об истечени и иде ального сжи:о.I ае:>!о­ го газа цел а н о С. А . Ч а п.'l ыги ­ Н Ы :\1 в его К"'! а ссической р а боте « 0 г азовых струях». П р оведеины е ю1 в ы ч ислени я показал и , ч то зн а чен ие для �t воздух а уветrч и в а ется u от 0,6 1 до 0,74 пр и у:'vlеньшени и р от 1 до 29 . Дал ьнейшее р а звитие м етода С. А . Ч а п л ы ги н а дл я обл а сти з в у ­ ковых и сверхзвуковых скор остей истечения и з отверстий с остро й кром кой осуществлено Ф . И . Фр а н кл е м , котор ы м б ыло установле­ н о, что, в отл ичие от истечен и я ч ерез сужива ющееся сопло, л и н и я звуковых скоростей не совпадает с плоскостыо отверстия с острой кро м кой , п р ичем фор м а этой л и н и и с уменьшением сверхкритиче­ с кого переп ада непрер ывно и з меняется , что приводит к м онотонно­ м у воз р а станию f.l п о м ере уменьшени я � - П р и векотором переп аде д а вл ений, н азванном Ф. И . Ф р а н клем вто р ы м кр итическим отношен и е м давлений �:р, фор м а д и н и и перехода через скорость звука и вел ичина � t ста биJJИзируются, так что п р и ? � ?к: f-t = Const. Зна­ чение ?:Р для воздуха р а вно 0,037 и соответствующее з н а чение f-t = 0,85. Н а рис . 6 . 1 пока зано и з менение коэффициента р асхода дл я от­ верстия с острой кр о м кой в з а в и с имости от п ерепада да вления п р и плоском течении с ж и м а е м ого г а з а . Из этого гр афика видно, что пренебрегат ь и з м енением f.l в общем случ а е нельзя . Одна ко, крива я зависи мости �t f ( � ) по мере п р и ближения ко второму кр итическо­ му отношению давления ста новится все более пологой, так что п р и изменении р о т О д о 0,33 коэффициент р асхода с точностью до 5 % может быть пр инят постоянны м . Допущение о постоянстве �t существенно упрощает п р иводи м ы е ниже р а счеты. П р и жел а н и и уточнить и х можно процесс и стечени я г аза из е м ­ кости р азбить на отдельные эта п ы , в течение котор ы х происходит т а кое небольшее из менение перепада давлений , что з н а чение коэф­ ф и циент а р а схода � t для ка ждого эта п а с жел аемой точностью можно считать постоя н ны м . =

6.2 . Р А С Ч ЕТ П А РАМ Е Т Р О В ГАЗА В ЕМ К О С Т И П Р И Е Е О П О Р ОЖ Н Е Н И И

Ч Е Р ЕЗ ОТ В Е Р СТ И Я П О СТОЯ Н Н О ГО И П Е Р ЕМ Е Н И О ГО С ЕЧ Е Н И й

I. П р и о п о р о ж н е н и и н ого сечения

"

G = �tf

Р а с ход

н е с ж и �1 а ем о й

V 2gyl1p,

где у -

через отверсти е

жидкос тп

п ,1о тность

подсчитьш а л с я

по

жидкости, 11р= р-рср.

п о с т о я н­

ф о р м ул е

г и др а в л ик и

93

Рассмотр и м истечение га з а и з ем кости постоя нного объе м а для случая, когда перепад даВJJен ия в ем кости и в среде, в которую истекает газ, свер хкритический . Изменение п а р аметро в газа в ем кости ( п р и опорожнении) опи­ сывается уравнения м и ( 5.54) . . . ( 5 . 57) , кото р ы е для р ассм атривае­ мого слу ч а я имеют вид: ( 6. 2) ( 6. 3) гд е Р а, '\'а . ia - соответственно да вление, плотност ь и энтальпия га­ за ; Qa - тепло, подведенное к газу; Ga :.._ текущее значение секунд­ ного р а схода газа из емкости ; k - показатель адиабат ы ; �'а - объе м ем j<ости ; т - время. В ы р ажение энтал ьпии и текущего р асхода газа и меют вид: ·

k - RTa; ia = k- 1

(6.4) (6 . 5 )

Oa = "rmf PafVTa,

где

(-2-):�� ; .

( .!!_ V R k -t- 1

m = -.

11- -

коэф фициент р асхода, постоя н н ы й

при сверхкритическом р ежи м е истечения ; f - площадь отверстия , через которое истекает газ ; R и Т - га зова я посто я н н а я и темпе­ р атур а га з а в емкости . Допол ни м уравнения ( 6 . 2 ) и (6.3) ур а внением состояния, про­ дифференцированным по времени d pa d T a + IЦ d ya . ( 6 . 6) а -c -c = R Va -r;

d

d

d

Из ур а внений ( 6.2) , (6.3) и ( 6.6) , используя в ы р ажения (6.4) и (6.5) , посл е несложных преобр а зов аний получим d Ta (k - I ) Rp.mf d Qa - Т Vта. 1 гТа (6 . 7) = а

d 1J

Va

(

Rp.mfpa

d-c

)

В елич и н а теплового потока от стенки ем кости к газу опреде.riЯ­ ется в ы р а жение м (6 . 8) где а - коэффициент теплоотда ч и ; Таш - тем пер атур а внутр енней поверхности емкост и ; F - площадь в нутр енней поверхности емко­ ст и ; Та - темпер атур а газ а в е м кости. П р и м е м , что между стенка м и ем кости и газом имеет м есто теп­ л оо б м ен з а счет свободной конвекции . Тогда для значений G r P r > 2 · 1 07 коэффи цпент т е плоотдачи определяется из вы р а жения

94

и = А ( Та и·- Та ) 'lз ,

где А - коэффициент, с.л а бо зависящий от температур ы и пропор­ циональный давлению в степени 2/3. Стенки газовых ем косте й высо кого давления и м еют знач итель­ ную тол щину, поэтому м а сса ем кости существенно бол ь ше м а ссы з а кл юченного в н их газа . Уч итывая это обстоятел ьство, а также бол ь шую теплопроводность м атер и а л а стенки и н а л и ч и е подвода тепл а от окруж ающей сред ы, можно п р и нять, что температу р а внутр енней стенки ем кости п р а ктически оста ется постоянной п р и достаточн о дл и тел ьном п роцессе опорожнения. П р и н и м а я температуру сте нки ем кости постоянной и р а вной н а ­ ч а л ь ной темп ер атур е г а з а Taw = Т ао = coпst, имеем dQa - А p2f3 ( T о - Т (6 . 9 ) а а о • dт

)4!3F

Аппроксим ируем давление и тем пературн ы й н а пор в выраже­ н и и (6.9 ) с ледующи м и л и не й н ы м и зависимостя м и : 2/ 3 Ра = S Pa =

п р и и з м енении давления от О до

9 8

-

Ра Рао

!j3

( Тао - Та) 41 3 = � (Тао - Та ) = � T ljt ( Та о - Та)

(6. 10)

Ра о ;

20

( ) 1 /З

(6. 1 1 )

п р и и з м енени и тем пер а турного н а пора от О до Та 0 • С учето м (6.9) , (6. 1 0 ) и ( 6. 1 1 ) уравнение (6.8) п р и м ет ви д dQa - 1 0 1 А Т ао (6 . 1 2) о Ра ( Тао - Та ) F · • .Рао d 'll П одставляя ( 6. 1 2 ) в уравнение (6.7) , получим 1 (k - ! ) R!J.mf С Т - Т - Т ] d Ta (6 . 1 3) [ ( ао а) = а' Va V Ta --;:;г де -

С=

! ,O ! A0 VTa F R !J.mf

( Р о ) 1/3 . Т

ао

а

В еличина А 0 воз р а стает с пониженнем темпер атур ы . Мож но п р и нять А 0 VT� = cons t , тогда и C = coпst . Если в выр ажение ( 6 . 1 3 ) ввести вм есто тем п е р а туры Т а новую безр азмерную пер е м енную следующий в ид :

х= dx

/т а V Та о

1

а2 - х 2

Зде сь

D

,

то это уравнение п р и м ет

Ddт:.

(6. 1 4)

(k - 1 ) R!J.mf Vf; 2Va

95

П роинтегрирова в уравнение (6. 1 4 ) п р и l x l > а и перейдя от пе­ ременной х к Та , п олучим следующую простую р асчетную формулу: С

Та

C+ l

- = --

t h2

2 Va

где

(N•

1

+

arth

V C_-t-с_1 ),

(6 . 1 5 )

r -­

Дл я опредедения текущей плотности газа в е м кости, подеJ1 И М у р а внение ( 6.2) н а ура внение ( 6.3) . Получим dya

--

=

( 6 . 1 6)

Оа

--

С учетом зависимостей (6.5) и ( 6. 1 5 ) ур а внение (6. 1 6 ) можно при­ вести к в иду 2N

d ya -- =

( 6 . 1 7)

(k - I) (C + I)

Уа

И нтегр ируя ( 6. 1 7 ) , получим

Уа

11 =

где

=

[v-С (

--­ -I) (C + Уао

(k -

2

1 -

sh

Nт +

arth

_

.

_s_ С + ) ]-" , ;-

}/

(6 1 8 }

1

1)

Определ и в Та и Уа газа в ем кости, можно, испол ьзуя урав нение сr;стоя ния, п олучить р асчетную формул у дл я оп р еделения давл е­ ния газа в е м кост и :

Х

rv � ( sh

С +- Х

·'а = -с Рао

Nt + a rth

1

vС � ) ]-а ( 1

th- 2 Nt + a rt h

v C� l ) .

П одставля я в ы р ажения (6. 1 5 ) и ( 6 . 1 9 ) в у р авнение (6.5) , н а х о з а ко н и з м енения секундного р а схода газ а :

дим

�а = -. / С

Оао

V

С+ 1

[ 1V/ (

x th - 1

·

где Оа о = 96

..V/С +с Nt + a r th 1 f с l .) , V C+ , 1

С

fLmf Рао - начальн ый 1 J Tao

(

s h N t + a rt h

р ас х о д .

­

(6. 1 9)

1

) J1-ох

( 6 . 20)

И с к:l iоч и в персм ен н у ю т из у р а в н е н и й ( 6. 1 5 ) , ( 6. 1 8 ) , пос.ае не­ с.: л о ;.I\ Н Ы Х п ре о б р а з о в а н п l1 п ол у ч п м ур а в не н и е те р м од и на м ичес кого п r о щ:-с с а : Та =

Тш ,

- [( _1E_)(k-l)(C+l) + С] . '

_

С + 1

Уао

(6 . 2 1)

H п p y ::t i i o В J I::ten,. ч т о п р и н е кото р ы х п а р а м ет р а х п р о ц е с с а о п о­ р о ж н с н н я г а з о в о й е :-.r коспi ур а в н е н н я (6. 1 5 ) , ( 6 . 1 8 ) , ( 6. 1 9 ) , (6.20 ) 1 1 ( 6 . 2 1 ) п р и во::t я т с я к в ы р а ж е н и ю! , соответст в у ю щ н м а ::t п а б а т п ч е ­ ско:-.Iу н п зотер м н ч е с к о \I У п р оцесс а :-.1 . Д е й с т в ител ь н о , п р п С = О и з у р а в н <: н п я ( 6 .2 1 ) 1 ш ее�1 у р а в н е н и е а ::t и а б а т ы

Та

Т ап

Уа

=

l Yar,

)k-1

•

И :о у р а в н ен п ii ( 6. 1 5 ) , (6. 1 9 ) и ( 6.20) п р и С = О н а х од и м з а ко н ы т е м п е р а ту р ы , д а в л е н и я п се к у н д ного р а сх о д а :J.л я случ а я а д и а б а т н ч е с кого и с т еч е н и я г а з а пз е м кости , кото р ы е п о л у ч е н ы в р а б о т е [ 52],

п з м е 1-1 е н п я

Тао Та

Ра

Рао

=(1

_

=( 1

2k B tГ k - 1 ,

+ Bt)- 2 ; �=(1 + BtГ k2- 1 ' Уао

?а = ( 1 + Bt)-k-1 , •

k-H

Oa n

(6 . 22)

(k - I ) R;ц:tf J r�

в

2 Va

П р и С/ ( С + 1 ) = 1 , что р а вносильно усл о в и ю С � 1 . у р а в н ен и е ( 6.2 1 ) о б р а щ а ет ся в ур а в н е н и е изотер м и ческого п р о цесса Та /Т = 1 . Под­ с т а в и в з н а ч е н и е С/ ( С + 1 ) = 1 в у р а в н е н и я ( 6. 1 8) , ( 6. 1 9 ) , ( 6.20) , п о �1 у ч и :-.1 в ы р ажен и я дл я п одсчета ТJа , '\'а и Ga д.т1 я с.'l у ч а я и з отерм ич е­ с ксгс· л р оцесса о п о р о ж н ен и я : Ра = 'Va = . - = ех р Рао

'Vao

Оа

Оао

( ----2 t ) . k- 1

В

­

(6. 23)

I I . П р и о п о р о ж н е н и и ч е р е з о т в е р с т и е п е р е м е н­ ноге сечения Р а с оютр и м исте ч е н и е га з а и з ем кости п остоянного объе м а при с в е р х к р итическо м п е р е п аде д а в л е н и й в ем кости и в с р еде, в кото­ рую п е т е к а ет га з . Г а з истека е т из ем кости через отверстие, площадь к о тор о г о и з м е няется во в р е м е н и f = f (т: ) . И нтегр и р о в а н и е ур а в н е н и я (6.2) и л и (6.3) п ри л е р е м е н ной пло­ ш а д п отверсти я з а т р у д н ител ь н о , поэтому вн а ч а л е получи м у р авне­ Iш е т е р :\юди н а м и ч е с кого п р о цесс � . И з у р а в н ен ий ( 6.3 ) и (6.6) , и с ­ пол ь з у я и ( 6. 1 2 ) , посл е н еслож н ы х преоб р а зов а н и ii получим

(6.4)

где

С=

-! - i 7" l 8

у

dTa = - ( k - l) [C ( Tao - Ta) - Ta] , d ya

I , O I A" } -'F;,F R;J.tnf (т)

( Тап )\ 11� '

(6 . 24)

Та

97

в отл и ч и е от ра ссм отренного в предыдущем р а здел е случая, я вл я­

ется вел и чиной, переменной во времен и . Интегр и руя (6.24 ) , п р и м а л ых скоростях изменения п.1 ощади отверстия получае м ур авнение тер м одинамического п р о цесс а , а н а ­ логичное у р а в н е н и ю ( 6.2 1 ) : + _!_ _1 (6 . 25 ) _ ао С + 1 о Уа

Т =

[( ..1!!... ) с]

ь = -'- [( .Y..:!.._ ) < k-l) ( C + l> + c ] ...Y.!!... . +

или

Рао

С

1

Уа о

Yar;

(6. 26}

+ с] ,

Используя (6.5) и ( 6.25) , в ыр ажение (6. 1 6 ) м ожно пр ивестп к в и ду

dya d т;

где

2_ B f (-с) Уа

=

__

k- 1

В = (k - 1 ) R!Lm

2 Va

у.-Та;;

1 _1_ [f �) ( k - J)(C + l) V C + l \ Уао

•

const.

( 6 . 27)

·

Покажем, что пр и некото р ых п а р а метрах процесса опорожнения

газовой ем кости ура внение ( 6.25) п р иводитс я к в ы р ажения:.-.1 , соот­ ветствующи м ади а б а ти ческому и изоте р м ическому п роцесса м . Н етрудно видеть, ч т о п р п С = О и з у р а внения ( 6.25) и м еем ура в-

нение ади а б аты

(_ а _ = Vao J Тао т

vа \ k- 1

.

Из уравнения ( 6.27) п р и С = О и мее м

d y a = - -2- Bj (t) Ya k- 1 d-c.

k- 1 (�)2 .

( 6 . 28 )

Vao

Интегр и руя ( 6.28) пр и переменной п.пощади f{'t) , получ и м фор­ мулы, а н а л огичные формул а м р а боты [5 1 ] :

;; =[ 1 + В t j (<) d < г :;

..Е!!...= [ Рао

1 + В \� f (t) d -r: j

о

]��

t

]-,'_, ; j:, d-r:]-=�� �а = _L [ fo

;

=

[

i +B

Оа о

j (<) d <

1+В

u

/ (t)

( 6. 29 ·

П р и постоя нной площади f = const и з в ы р ажения (6.29) и :.-.1 ее м {52] :

Та Тао

�

(l + Bf-c)-k::._ 1 ; = ( l + Bf-r:)-2; � Vao = 2k ь = Ра =(l + BJ-r:)- k-1 ; + ( l + BftГk- 1 . Оао

При

= 1.

Рао

G_,_ = 1 , , что р авносильно ус.т овию С -:;:р

С

цесса ( 6 . 2 5 )

Т

Та ао

98

k�t

1

обра щается

в

у р а внение

( 6. 30)

1 , ур а внение п р о ­

изотермического п р оцесса

П одста в ив

значение

_

с_ = 1

C+ l

tl Va

=

( 6 . 2 7 ) , получим

в Ур а внение

--

·

2- Bj (т) d-r:.

(6 . 3 1 )

k- 1 р I I нт е г н р у я ур а внен и е ( 6 .3 1 ) , п ол у ч и м фор м у л ы , а н а л о г и ч н ы е п р и в ед е н н ы :-.r в р а бо1 е [55] : Уа

..J..E... = k = exp Рar,

Yar.1

6

f -!!- =- е хр

Gao

/r,-

(

(--2k

2

\� f (t) d-r

В

l

·-

�

(J

)

) 1

,

­

(6 .32)

- - B ('1 J (-r:) dт: . k- 1

,

о

П р н постоя н н о й п л о щ а J. и f = const у р а вн е н и е ( 6 .32) J. а с т р а н е е нолученные в ыр ажения ( 6.23 ) . Д.гt я з нач е н и й О < < 1 м о ж но п о .1 у ч ит ь п р и б л и ж ен ное р е­

С�

1 ш е н и е у р а в н е н и я ( 6.27 ) . есл и р а зл о ж и т ь в р я д Тейлор а квадр ат­ н ы й к о р е н ь п р а в о й ч а с т и этого ур а в н е н и я и о гр а н и ч ит ь с я п е р в ы м и лвумF. ч.ТJена м и р яда :

[ )

]

/ ==�==-__Y_a__(k --1-)(_C_+_l)_+_C_ ( V С + 1 Уао

•

П р и т а ко й

�

1

(1

+k-

1 'V an - Уа

2

Уао

2

Уао

за мене у р а в нение ( 6.27) прини м а ет вид d ya 2 Bj (т:) Уа + k - 1 'Vao - 'Va =

___

k- 1

d ТJ

И нтег р и р уя уравнение (6.33 ) , п олу ч и м � == -----------k_+ �l

[: :

J

).

]

____________

У оо k - 1 + 2 "p

;;о = С�

/[

Испол ьзуя ( 6.34 ) , ( 6.25) ' 1

k - 1 + 2 ех р

�=�Рао

4*

С+ 1

�[

и

(k

+

B

/ (т) d •

) l(k-lJ(C +lJ +С);

(6.33)

(6. 34)

уравнение состоян и я, получи м + 1

�

�ВJ

k - 1 + 2 ехр

k+ 1

f ('n) dт.

�( + � В

J

�

f ('v.) d 1!

)

](k-l)(C +l)+l

(6.35) +

(6.36)

99

r

(k-I)(C -,-1;+2

В ы р а ii..:е н ие дл я относп rеJi ыюго и з м е н ения сс i<ундно го JНН.: . и д а газа пол у ч и м из ( 6 . 5 ) , ( 6.27 ) и ( 6. 2 5 ) + _!._ да _

Оа о -

(-1-' 1/2 fo 1} С+

k� 1

+ 2 ехр

k - 1 + 2 exp

k+ l

(�В J

k+l (' k + l � k

- I B

�

f (<) d <

/ (t) dt

6.3. РАСЧ ЕТ П А РА М ЕТ Р О В ГАЗА В Е М К О СТ И

)

J'·

) JT '

(6.3 7 )

П Р И Е Е О П О Р ОЖ Н Е Н И И Ч Е Р ЕЗ ГАЗ О В ЬI И Р ЕДУ КТО Р

Р а ссмотри м случ а й , когда газ и стекает п з е м J<ости в ысокого давлен ия через газов ы й р едуктор. Такие случ а и и м еют :-..1 есто в р а зл и ч н ы х техно.rюгических п роцесс ах, когда об ъ е м н ы й пр п � од га ­ з а в емкос т ь и д а влен ие в ем кости ест ь вел и ч и н ы постоя н н ые . И з менение давления в свободно м объеме ем кости опис ы в а етс я а р у внен ием ( 6 . 2 ) . Массuвы й секундный р а сход га з а из на пол н яемой емкостн че­ рез дренажны й кл а п а н определ я ется по др енажны м х а р а ктерiiСПIк а м предохр а н ител ьного кл а п а н а , т. е . Gдр = f ( т ) . В систелт а х над­ дув а ( с газовы м р.едуктором) х а р а ктер истики дренажно-пре.:ю х р а ­ нител ы ю го кл а п а н а в ы б и р а ются та к, ч т о б ы р а сход г а з а ч е р е 3 него р а в нял ся нулю, т. е . Gдр = О. П р и н а пол нении е м кости сжаты м воздухом , а зотом и.ш1 геа пем количество газа, в ы п адающего в конденсат, пренебрежимо м а л о . т. е . Gм = О. Р а с ч ет п арам етр ов г а з а в ем кос т и п р и о тс у тств и и те пл о о бм ен а в н а пол н я емо й ем к о ст и

И з у р а в нения (6.2) пр и услови и , что в наполняемой е :-.-ш ости подде рж и в а ется посто я н ное давлен ие (dp/dт = O ) и .п р енебрегая изменением состава г аза внутр и ем кости (dkjdт = O ) , кол и ч еством испаря ющегося компонента ( Gп = О ) , теплообменом м е жду га зом наддува и стенка м и емкостп, газом наддува и п овер хностью жпдко ­ сти (dQ/dт = O ) , получи м

k

k- 1 р

l. oО о = --

(

dV

-

d 1J

(6. 38)

·

k _p )

П одставл я я ( 6.38) в уравнение ( 6 . 2 ) , по.1уч и м dpa d11

=k- 1 Va

d Qa dт:

k-

__

1

dV dt

Подстав.1 я я в ы р а ж е н п е ( 6 . 1 2) в ( 6.39 ) , п о .1 у ч 1 ш 1 00

.

( \).� , •J'.> О,, )

М

гд е

dV k d p0 = ( M - NA 1 ) р - - р (l dт;.

=k- 1

1 , 0 1 A 0 Tarr Va .

( ТРаоап )113 ;

v

d

( Тап у'з ;

(6 .:1-U)

ТJ. '

N = k - 1 1 ,0 1F Va Рао

A l = A oTa.

Величина А 0, в ходя щ а я в выр ажение �онижение м температуры . Температур а

дл я газа

ш а ет ся .

М и А 1 , возр а с т ае т с в ем кости Та у :vi е н ь ­

Р асчеты п о к а з ы ва ют , что произведен ие А 0 Та с точ ностью до 1 . . . 2 % в п редел а х темпер а ту р ы п роцесса м ожет быть п р и нято по­ стоя нным A 1 = A oTa = Const.

Тогда уравнение ( 6.40) переп ишется в виде dp a + ( NA 1 - М) а + С d V = 0, Р "IJ d ТJ. d

(6 . 4 1 )

k

г де

С = - Ра · v

Решение ур авнения ( 6.4 1 ) имеет вид р, � ехр ( - � т )

где

��

=

NA 1

�· р а в н е н и е и м е ет

в ид

-

NI

[

р"' - С

.

J ::

е хр (?Т) d

т] .

( 6 . 42)

для определения плотности газа с учетом ( 6. 1 6) и (6.39) d Va

-- = dТJ.

, dV р,.-;;::-

Ра�7'1.

(6 .43)

Уа ,

где Ра определя ется по ура внению (6.42) . Тогда дл я о п реде л ени я п.тютности газа в газовой ем кости у, � у, , е хр

1

р

dV

- v d\; d <

ох р (-!'Т) [ Р•о - С j :: d -r

o xp (/
]

1

Для адиаб атического п р оц е сса опорожнения NA 1 -M м етр ы г а з а в ем кости о п р едсJi я ются п о формул а м Ра = Рао - С

S - d-r; �

u

V d d -r

(6 .44)

,

=

ю1 е е м

0

пара­

(6 . 45 j 101

У а= Уа о ехр

(

dV

dт

r J -;t;:

р - Va .

PafJ - C

\• "

dV dт

u •

( 6.46) dт

Д.1 я изотер м и чес кого п роцесса опорожнения изменение п а р а в ем кости о п р сдеvl я ется и з выр ажений

1\r с т р о в га з а

Ра

=

1

С Ра� - -

k

(

"

(' 1

,_

о

k

С

dV

- tf t .

(6. 47)

dт

Уа = -- Pa r> - - \ .) RT0

•

u"

1/ V

-

ti t

dt

)

(6. 48)

.

Рассмотр и м р а зличные случ а и изменения объе м а н аполняемой емкости . 1 . П р и изменении свободного объе м а напол няемой е м кости по Ji н н ейному з а кону V v'0 + uт. Для определения п а р а метров газа в ем кости и м еем 1 а з ав ой

=

{1 - D

D

}'

(6 . 49)

Ра = Рао ехр ( - t.Lt) + - [ exp ( - t.Lt) - 1 ] ; Уа = Уао

--

fLPao

fL

[ex p (:J.t) - 1 ]

lf k

,

(6.50)

где D = Cv; а ) для адиабатического п роцесс а опорожнения Pa = Pao - Dt;

)IJk

D

(6.5 1)

( Уа = Уао 1 1 - - 't ; \ P'IO б ) для и зотер мического процесса опорожнения

(6 .52)

D 1 Уа = -- ( Рао - .!!_ т ) ·

(6 . 53)

Pa = Pao - - t ; k

R Ta o

(6.54)

k

2. П р и и з м енении объе м а н а пол няемой емкости по экспоненци­ а .ТJ ь ному з а кону V = V0 ехр ( �т ) , где s _.:..__ действител ьное ч исло . Д.'lя о пр едел ения п а р а м етро в газа и м еем : Ра = Рао е х р ( - :.1.т) (

Ya = Ya o 1 exp ( - t.Lt) 1 0�

\

V C oe fL + �

c v �"

[ exp ( � t) - е х р ( - t.Lt) ] ,

1 1 /k

0 . [exp (; -r) - exp ( - tJ.t)] 1 1 ParJ (:J. + � )

(6 .55) ;

( 6 . 56 )

Т/То 0, 92 о, вч Г}

20

4D

БD

8D

0, 76

т, с

о

чо

во

-z; c

.

Рис. 6.2. И з м е н е н и е во времени относител ьного давл е н и я в баллоне п р и истеч е н и и IIЗ н е г о воздуха по э кспериментал ь н ы м д а н н ы м ( к ривая 1 ) н п о д а н н ы м р а с ч е т а п о формудам ( 6 . 1 9 ) и ( 6. 1 5 ) ( кривые 2 и 3 соответстве н н о ) Рис. 6. 3. И з м енение во в р е м е н и относ ител ьной тем пературы в о з д у х а в б а л л о н е п р и е г о опорожнени и п о эксперименталыt ы м да н н ы м ( кр и в а я 1 ) , по д а н н ы м р а с ч е т а по формулам и ( 6 . 3 6 ) ( крив ые 2 и .1 соответствен н о ) н по метод и к е работы [52] кривая .J

(6.35)

а ) для адиа батического п роцесса опорожнения Pa = Pao - C Vo [exp (� t ) - 1 ] ; l /k ; [ e xp ( �t) - 1 l Va = Yao 1 -

{

CV

Рао

}

( 6 . .57)

б ) для изоте р м ическог::> п роцесса опорожнения

Ра = Рао -

Уа = Уао

C Vo (exp (�t') - 1 ] ;

{ 1 - С�о [exp (� t') - 1 ] } . k

(6 . .58)

( 6 . .59)

( 6. 60)

6.4. С РА В Н Е Н И Е Р А С Ч ЕТА С Э К С П Е Р И М Е Н ТАЛ Ь Н ЫМ И ДА Н Н ЬIМ И

Для провер ки ИЗJт оженноf' в этой гл аве м етоди ки опреде л е н и я п а р а м етро в га з а в ем костя х в ысокого да влени я был проведен ряд р асчето в для условий, соответствующих условиям эксперим ентов. Н а р ис . 6.2 и 6.3 пун кти р н ы м и линиями показано изменение отно­ с ительноrо давления и относитс.ri ы-юй темпер атур ы воздуха, о п р е­ делен ное экспер и мента л ьн о . В качестве ем кости и спользова.т ся баллон высокого давл е н и я объемо м \/ = 1 9,6 л и с внутренней п о­ верхностью F = 0,35 м 2 • В озду х истекал чер ез круглое отверстие д и а м етром 2 м м ( f = 3, 1 4 · I 0--6 :vт м ) . Начал ьное давление и те:vше­ р а тур а воздуха в бал.тонс: fJи = 8 МП а , 1'о = 297 К . Р а счетные з а ­ в и с и м ости р/ро = f (т.) п о форму.т е ( 6 . 1 9 ) и Т/То = f ( т: ) по фор:v1у.т е ( 6 . 1 5) п р и значении J.t = 0,85 изображены кр и в ы м и 2 н а рис. 6 . 2 и 6 .3 . Кр и в а я 4 н а р и с . 6.3 обоз н а ч а ет з а в и с и м ость Т/ Т0 = f (т: ) , р а с ­ считанна я по м етод и ке р а бот ы [52] . Соответствующ а я к р и в а я рiро (т:) н а р и с . 6 .2 н е п о к а з а н а , т а к ка к она п р а ктически со впа<т а с кр иво й 2 . И з ср а внени я р а счетн ых и экспе р и м ента.т ьных зав н с п ­ мосте!I м о ж н о з а кл ю ч ить, ч ·т р а сч е т ы давл ени я в ем кости по фор 1 03

м у.1 с ( 6 . 1 9 ) и п о м етодике р а бот ы [52} дают вес ь м а близкие ре­ зу
Гл а ва

7

Р А С Ч ЕТ П А РА М ЕТ Р О В ГАЗА В Б А К Е П Р И Е ГО Н АДДУ В Е

П р и проектиров а шш р а кет очень в ажно ум еть р а ссчитать п а р а ­ метр ы газа в б а к е в пр оцессе ва по.п нений ем костей п остоя н н о г о и п еременно г а объемов. П р ед в а р и те л ь н ы й н а ддув т о пл и в н ых б а ков производится от г а ­ зовы х баююнов к о н еч н ы х с б ъ е м ов через ж и к.тер п ост о я нно г о сече­ ни я и л и с т е н д о в ы х с м косте ii бесконеч ного объе м а . П р и р а счете си ­ с1 ем ы на ддува н еобходимо определят ь п а р а метр ы га з а внутри б ака ( давление, п л отн о с т ь, т е м п е р а т у р а ) в з ависи мости от времени р а ­ бот ы систе м ы наддув а . Н и ж е п р иведено решение задачи о н апол н е н и и ем кости постоя н­ ного объе м а и ем кос r и , объем которой явл я ется л и н е й н о й фун кци­ е й в р б! С I Ш , га зо м и з ем костн н а стоя н н ого объе м а п р и свер х к р и т и ч е ­ с к и х переп ада х д а в:1 е н и й в э т и х ем костях . 7 . 1 . РАС Ч Е Т Н АЯ СХ Е М А З А ДА Ч И

Р а ( с мотр �вi ос новные п ронесс ы в г азоба .т л он н о й систе м е н а д д у ­ ( с м . рис. 2 . Ь ) . Пр н от к р ы тс н1 электропнев м о КJi апане 3 г а з н з б а .т.т о н а 2 ч е р е :� ж н к.т е р 6 п оступает в топ. rш в н ы й бак 1. Одн о в р е ­ мен н о н а ч и н а ется р а сход ко:-.ш онента и з тошшвного б ака , вследст­ вие чего у в е л и ч н ва етс н c вoбrJJ ш ы ii объе"-1 . П р и истечении газа из б а .:I .т о н а оста в ш и йся та м г а з р а сширяет­ ся , да вление и т е м пер а т ур а н б а .т :ю н е падают. П адени е давления в баллоне п риводит к умеш,тетrю р а схода газа через ж и клер ( п р и постоя нном ж и клере) . В з а в и с н \юсти о т вел и ч и н ы секундного р ас­ хода газа, который завис1п o r д и а м етра ж и кл е р а и п а р а м етров га з а в баллоне, д а в .т с 1-ш е в топ.т и в н ом б а ке может расти ил и п адать в н а ч а л е р а боты систе м ы н аддува и н еизбежно п адает в конце над,цу­ в а в с л е дс т в и е падени я д а n .т с н н я в ба.ыоне. Д а вление в топл ивном б а ке :.1 ожно увел н ч ить. подкл ю ч и в с П О ;\Ющью п р огр а мм наго устр ой ­ LТВа второii лш кл е р , а п р и нсобход н м осп1 можно повтор и ть эту п п е ­ р а ц и ю нес кол ько р а з . К онеч ное давленпе в б аJiлоне в ы б и р а ется и з усл о в и я н о р м а .т ь н о й р а бот ы эл ектропневмок.тi а п а н а 1 1 к ко нцу р а ­ боты сос т а в.'J я ет веJш ч и ну н е н и ж е 0 , 5 . . . 1 , О 2\\ П а . Д авJiение в топ.тi и в ­ п ы х б а ка х в к о н ц е р а бо r ы · с н с1 е:--t ы н а д;�у в а . к а к п р а в п.т о. не прев ы ­ р а бо т ы газобаллон н ы х ш а с т 0,05 . . . 0.25 Л\П а . П оэто м у в о в р е :.1 я с и с н ' '� л о о и с х о д и т к p ! I Т I I ' I e c к o e н с те ч е н ! ! е г а з а ч е р е з ж и к.1 е р , т . L' . ва

г а з а и з баллона не за в ис ит от п ротивода в Jiения ( да вления в . П осл ед нее с ущественно упрощает расчет подобны х систем н а ддува и дл я п р а кти чески и нтересных случ1:1ев позвол я ет получить = р е ш е н и е задачи в конечном в �це. П р и н а по.1 не н и и топшшного б а к а сж·атьi l\t газо м ( воздухом , аза­ то�! . гел и е м ) кол и чество га з а , выпадающего в конденсат, п ренебреж юю мало, т . е . Gк = О . П р и проектиров а н и и с пстеы над.1.ува давление в топл ивном б а ке в ы б и р а е rся та к, что р а с ход e r o через :rренажно-предох ран ите.'lьный К.'I а п а н п р а ктически р авняется нул ю , т. с. Gд = О. В д и а п а зоне темпе­ р :.! тур от -40 до + 40° С испа рение высоко ю ш я щ и х компонентов тошш в а т и п а керосина , НДМГ, гндр а з и н а , сп и р.та и др. относи­ те.ri ьно невел ико. Поэтому м о ж но не учитывать изменение показа ­ те.1 я ади а б аты смеси газа в б а ке, т. е . dk/liт = O. П р и сдела н н ых допуще н и я х снете м а ур а в нени й ( 5 . 54 ) . . . ( 5 . 57 ) су щественно упрощается. В о б щем случае одновр емен н ы й п р оцесс опорожнения б аллонов со сж аты м газом и н апо.'l нения бака , из котор ого в ытекает жидкость, в п р и нятой постановке описывается ш естью ур авнен и я м и : · = (7. 1 )

p i<� c xuд б <1 к е)

·

Дл я е м кос т и в ы с око г о д а в ле н и я (1)

f

11 d::dVa J.

t

d-c

[

-

Та = Ра R

1 1

Для н о га б а к а

dт

-

•

Va '

·

:� -i.д.J ;

•

va

1 y d топл и вd =-'(11) V(т) [da +Gи- '\' t P = '\'RT. dт

;·'

Иа

_

[ tiQ-c + iаОа V( -u)

dp _ k - 1

·

_,

Г

i О

1L

11

V

'.'

(т)

dт .

_

]

k_

_

k-1

;

р

( 7 . 2)

d V(. т ) ] · dт

•

( 7. 3) ( 7 . 4) ( 7 . 5) ( 7 . 6)

В уравнениях ( 7. 1 ) , ( 7.2 ) , ( 7.4) , ( 7 . 5 ) вел и ч и н а С а - секундны й м а ссовы ii р асход газа из б а л л о н а определ яется в з а в иси мости от р <';.к и м а истечения : для сверхкр итического р е ж и м а йстеч ени я га­ з а - по фор муле ( 6 . 5 ) и дл я докр пш ческого - по едедующей ф о р м ул е :

Oa=:J.j l�2g·k l PaVa] 2 IF (y) , 1

1

( 7 .7)

у т - у т ."2----:k-+"'"1 ; y = L . W (y ) = '(-. Ра '

Н иже п р и всдено решение задачи о на по.1нени и ем кости посто­ об ъеАiа и е :'ll кости, объем которо й изменяется по л и нейному з <J кону при ус,'l о в и и , что исп арение ж идкости в е м кост и пренебре;.i.: !< М О мало, т . е . Gu = O. �, н . ю го

I Oti

7 . 2. Н А П ОЛ Н Е Н И Е Е М К О СТ И П О СТОЯ Н Н О ГО О БЪ ЕМА

П р и свер хкр итичес ком н р о цессе опорожнени я решение систеУi ы

1 н е зависит от решени я с и сте Уi ы 1 1 , котu р о е п р и в е J. ен о в гл . 6. П р и п ост о я н н о м объс?.I е н а полняемой ем кости V = const и з :-.tене­ н и е n а р а метров газа в ней о н н с ы в ается с.l еJ.ующей снетемой у р а в ­

--

не н и й :

dp

1/ Т

_ k - r - -V

dy

(-- ,

. 0dQ т lа а dT

).

( 7. 8}

•

(J . V

- = -

dт

( 7. 9)

,

( 7 . 1 0)

p = yRT.

В эти х у р а вн е н и я х с е к у нJ. н ы й п р и то к газа Ga опр е_1.ел яется уравнения м и ( 6.20 ) , ( 6.22) п :ш ( 6 .23) в з а в и с и мости от х а р а ктер а d п р оцесса опорожнен и я , а с е к у нд н ы й п р и т о к те п л а Q = а ( Т - Тw ) F . d'J:

Р е ком:енда цн й по выбору коэ ф ф ициента те п ло отд а ч и а в р ас­ с м а т р и в аемых усJювиях теп.1 ообмена нет, п оэтом у обоснова н н ы й р а с ч е т т е п л о в о го потока к га зу, н а п ол н я ю щ е м у емкость, в настоя­ ш е е в р е м 11 невоз можен . В се дальней ш и е вы кл адки будем прово­ д и т ь в двух п р ост е й ш и х п р е.щоJюжен и я х : 1 ) теплооб мен со стен ­ к о й т а к м а.'l , чп и ;�,1 мо ;.юю п р ен ебреч ь (d Q/dт: = O) ; 2 ) те плоо б :v� е н со стен кой н а с т о л ь к о и н т с н с 1 ш с н , что темпер атура газа в н а п о.l ня е ­ м ой ем кости постоя н н а в о врбt ен и ( T = T0 = c o n st ) . О ч евидно, ч т о в дсiiствит е.1 ы юсти н м е е 1 :vi c c г o f:!tкото р ы й п ро м ежуто ч н ы й с.1уча й , бо.1 ее шш :vt e l ! e '� б;ш з к и й к С' ;.щому и з указ а н н ы х п р едположен и й . А.

Н а п од

н

м

с

ни

ен

е

с м к

о с г 11 п р и <J т с у т с т в 11 и т е п д о о б­ е е с т е н ка :-. 1 п 1 1 г а з о :v�

а между

П р и dQ/dт: = O уравнен и е ( 7.8) упрощается но в следующем виде : dp

-

kRTac/1n

Т0

и

:v�ожет быт ь з а п и с а ­

д

(7 . 1 1 ) Gao Испол ьзуя вы р а жени я дл я те;-.ш ературы газа в емкости высоко­ го давл е н и я ( 6.2 1 ) и д.11 я се к у н д н о г о пр итока газа ( 6.20) , после и нтегр и рования ( 7. 1 1 ) получим .t,;

..J!... = 1 + k Pao Ро

где

.

И

Ро

k

I + С

= -­

_

Va л1 [ l - LJ V

1 + Ck + (k - 1 ) С2 k +

C (k - I J

Т 110

V

]

o + (2 ; �) sh2 ( Nт + ы) ' · s 11 - + o (Nт. + ы)

:

IJ

=

C

-2-

о + C( 2 + ·� J

( 7. ] :2 )

И нтегр и р уя в ы р а жение ( 7 . 8 ) с уч етом ( 6.20) , п олучи м ф ор му л у для о п ределения пл отности газа в н а по.'l н яемой е м к о сти

Va [ 1 _ V

_у_ = 1 + Уао \'u

Yu

]

c8/'l.

s h '; (JV'!' + w)

(7. 13)

•

По уравнению состоя н и я г а з а ( 7 . 1 0 ) и у р а внения м ( 7. 1 2 ) , ( 7 . 1 3 ) J1 е гко может б ыт ь в ы ч ислена т е м п е р а ту р а газ а в л юбой мом ент в р е ыени т . Решения дл я п а р а м етров га з а в н а по.1 I-шемой ем кости п р и ади­ а б атичес ком и изометрпческом п р о цесса х. . опорожнения ем кости в ы сокого давления МО)!ШО п о.1 у ч н ть тшш м же п утем , к а к и м п олу­ чены фо р м ул ы (7. 1 2 ) и ( 7. 1 3 ) , ec.'I II вм есто ( 6 . 1 4 ) н ( 6.20 ) восполь­ говаться соответствующи м и фор му.1 а м и :- (6.22) - дл я ади а б атиче­ с к о го и ( 6.23) - .Jдя изотер :- . ш ческого п роцессов. В сл }· ч а е ади а б а тичес кого п р о цесса опорожнен ия 1 Р 1 + Рао Va 1 ( 7 . 14 ) 2

[Va [. 1 _

-� ....У_ = 1 + Уао ] В сл у ч а е изотер м ического п р оцесса опорожнения 1 + k Рао Va [ 1 - е х р (-.:!.!!_ ,; ) ] ; Ро Ро У 28 )] 1 + - - [ 1 - е хр ( --р;; _

Yl•

Ро

V

Yu

V

_!!__ =

Vao

Va

V

(

+

B r.) k; (k- I ) 1

( 1 + Bt)

_

(7. 1 5)

·

2 /( k- 1 )

•

k- 1

k- 1

t

( 7. 1 6 )

..

.

( 7. 1 7)

Уо V Формул ы ( 7. 1 4 ) . . . ( 7. 1 7) могут быть получены та кже непосред­ -

Уо

=

ст венно и з ( 7. 1 2 ) и ( 7 . 1 3 ) путем п р еде.1 ьно.го перехода : С-+0 п р и а :tи аб атическом опорожнен и и и С-+ оо пр и изqтер м пческо м опоро ж� неннп.

Б. П р

и

постоя н

н

о й т е м п е р а:�.У р е г а

з

а

П р и постоянном объеме н а по.тшяемой . смкос,ти . пл от ность н а хо­ д я щегося в н ей газа однозна ч н о о п р еде.l яется : л роцес�ом опорож,­ н е н п я , поэтому фор мул ы ( 7. 1 3 ) , ( 7. 1 5 ) и ( 7 . 1 7 ) сп р а вед.'I и в ы п р и .'! юбой и нтенс и вности тешюо б м ен а в на поли·немоii е:-.I Кост и . Из у р а внени я ( 7 . 1 0 ) т а к ж е сл едует, ч т о -п р и постоянной тем п еа т р у ре га з а L = _J_

Ро

Уо

.

Т а к и м о б р азом , фор м уJl ЬI ( 7. 1 3 ) , ( 7 . 1 5 ) 11 ( 7 . 1 7 ) могут б ыт ь пс­ л о:I ьзова н ы дл я р асчета не тол ько плотност и , · но ·п давления в к·а ­ r;о,1 Няемоii ем кости в случае, когда тем пература . г аза в нeli п о ­ стоян н а . 7 з . Н А П ОЛ Н Е Н И Е Е М К О СТ И , О БЪ ЕМ КОТО Р О И Я ВЛ Я ЕТСЯ Л И Н Е й Н О И Ф У Н I Щ И Е И В Р ЕМ Е Н И . •

П р и переменнам объеме н а по.1 Н яемоi·i е м кости изменение п а р а ­ �>� т р ов га з а в нeii о п и с ы вается с.тте.J.уюшей снст.е м о й у р а в не н и й : , . .�

([ fJ

dr

·

=

(

k -- 1 V

-

dy

. . . k dQ - + t a O - -- pV dt

1

·,

-;J; = v ( G

•

-

у\

А� - 1 т

'

P = YRT.

)

;

)

(7. 1 8)

;

(7. 19) (7.20)

Р z с оютр п м c.1 p1 a ii , когда скор ость и з м енения объе м а н апол ­ няемоi,I е м к о с т и постоя н н а ·v· = const ( н а пр и мер , напол нение газом .ем косш , из которой в ы т е к а е т ж и д кость с по с то я н н ы м р а с х одо м ) . Тогда , обоз н а ч и в отношение н а ч а л ь ного объема ем кости к с ко ] юст п и з м енени я его а = \/0/ �'. з а п и ш е м V = V (а + т) . Решение задачи в д а н н о м случае п о л у ч и м пр и тех же предпо­ ложен и я х , чт о и в с.11учае на пол нения ем кости п о стоя нно г о об ъе м а . Н апол нен и е ем к ос.т и п р и отсу тс т ви и т е плообм ен а м ежду е е сте н кам и и газо м и

П i·· п dQ/dт = O у р а внен и я ( 7 . 1 8 ) k

dp

- -d-c а + -с

р

(7. 1 9 ) пр и н и м ают вид (; Та . (7. 2 1 ) . -. - -,

V

kRT ао Оо

( a + t)

Оо

Тао

(; Оо (7. 22) ,; У (а + 't') v ао Р е шение ур авне н и я ( /".22) особых т р у дно с т е й не в ы з ы вае т . Оно может б ы т ь зац и с а н о т а к : 1 d \' + + а dt

-

-

(

?n \; �

а _у_ + __ 1 + Уо а+t . a Vvo о Оо

В ::,; чи сл и в с п о м о щью {6.20 ) юкон� атед ьно по.11учим a_ l l J_ = _ а + ,; 1 Уо

+

Vao Уо

d..:') .

( 7 . 23)

интегр ад в в ы р а жеюш

[1 ali

.

Va

( 7.23) ,

]1 .

сЧ 2

sh6 (Nт: + w)

(7 .2 4)

1

р : ( 7.24 ) могут б ыть по.11учены формуд ы ддя частн ы х едуч а ев л р оu е с с а о п о р ож н е н и я е м к ос т и в ы с око г о д а в д е н и я : цл я z . :ш а б атн ческоrо п р оц е с са ( C = N = (t) = O, б = 2i ( k- 1 ) ) J_ = _a_ i l + Vart V� (7. 2.5) ' ., ( 1 + Bт. ) - /( k -- I ) l ' Vo aV а+t Уо

.д.1 я

[l -

1

[1 ,

Е -о отер м н ч сского п роцесса (а = N = (1) = 0, б = 0 ) у а 1 l + Y a r, Vа -- . = -28 - е хр Ус а + т l Уо aV ,k - 1 ·

(

11 "')] 1 . "

(7. 26 )

Р .:: ш ение у р а в н е н и я ( 7.2 1 ) м о ж е т б ыть п р е д с т ав д е н о в ви.1е р

Ро

-

=

(

а

\k

-- 1

а + -с

·

[

l

+ -2kB k- 1

От: --

р0

V ,,,1:

Va

-k .

а

.

О Та -.- --

00

Тао

, ) �'- 1 t ( а -г ..: . l t

]

r

(7 . '27) 1 09

В формул е ( 7.27) опреде.1 енную трудность пр едста вляет зыч ис­ ление входя щего в нее и нтеграл а . З н а ч ение этого и нтегра ..1 а опре­ деляется х а р а ктером процесса опорожнения и в общем случ ае (dQa/dт =I= O, Ta/ Tao =l= 1 ) м ожет б ы п, н а й.J.ено ч и с.1енн ым i\I етодfШ . Для адиаб атичес кого и юоте р м ичес кого п роцессов опорожнения можно получить а нал итическое вы р ажение указа нного и нтегр а л а . В первом с.пуча е (dQa/dт = O) испол ьзу я в ы р ажение (6.22) и т l вводя новую б езразмерную переменную х = + � , заппшем · н- а

Разлага я по.J.ынтегр альное в ы р а жение в лучи м

S. -.

т

а

о

а

. -

. -

ао

Тао

( а + t) k- 1 d t = "'

xk m� �o

1

В� ( 1 +

k

;J k - I k 1 -k

aB) -

k_ Ф (X) = -1_ '--, ( - I )m _ '

где

и нтегр ируя, nо­

[ ?(х) -у (�)] .

r! + т (r - т)! т!

m == U ,

р я .J. и

1 , 2, . . .

(7. 2 8)

r = 2k - k ' - I --

Xm

k

Получ е н н ый р яд сходит-с я б ыстр о : обычно .].остаточно огр ани­ ч и ться 5 . 7 членами ряда . Дл я це"'! ЬЦ ч и сел r функция ер (х) и�tеет конечное ч нсло ч.Тi енов. Дл я k = 1 ,37 = 1 ,4 , r = 6 знач ения фун кции (r (x) вычислены н а м и и пр иве.J.ены в таб.1 . 7. 1 . Подставл яя ( 7.28) в (7.27) , оконч ате.'l ьно получ и м ....f!..._ = -a- k : 1 + � r q; ( r) - -� -1( 7 . :2 9 ) Ро а+т 1 L аВ 1 . .

В = � Ра о

где

Ро

k-1

(

Va

Vo

)

(

"""',=•:Jk --------:;

( ав/- 1 ( 1 - aB ) k - l

k

,"J }l

'

В CJi yч a e изотермического процесс а опорожнения ( Та!Тао = 1 ) . и спол ьзуя в ы р ажение ( 6.23) и вводя новую переменную и=

получим '1

r

$_ :а •

) Go

о

где 1 10

Тао

k - 1 (а + т}, 2В

( )k ехр (?) [ Г ( k , u ) - Г (k, �)J ,

(a + т) k - l dт = � Р

ll

2а В Г (k, и)= Jr uk-- 1 exp { u ) tla . �� = - l . k о

-

(7. 30)

Табл и ц а 7. 1

З нач е н и я функции «р(х)

1

х

1

2 :з .,!,

594 , 80 58.) , SJ

11

х

19

5:H , -l 8

1

12

26 28

30 32 3! 36 38 40

1 80 , 6-l

1 :3

42

1 52 , 88

1 52 , 34

1 .; 15

44 46 48 50 55

1 49 , 05

16

1 30 , 85

17

1 2 1 , 64

IS

9 (Х)· 101

22 24

40-l , 8! 352 , 1 7 308 ,90 273 , 30 243 , 79 219, 15 1 97 , 99

6 7 8 9 10

1

20

467 , :Ю

;]

1

� (х) - 1 0 '

1 1 3 , 97

1 06 , 90 1 00 , 57 89 , 63 80 , 60 73 ,00 66 ,38 61 , 17 56 , 36 52 , 1 5 48 , 48

1

45 , 25

42 , 35 39 , 94 37 , 58 35 , 36 33 , 47 3 1 , 73 28 ,02

х 60 65 70 75 80 S5 90 95 1 00 1 10 1 20 1 30 1 40 1 50 1 60

200

24 0 280

�

(X )· IO• 24 ,99

22 , 50 20 ,40

18 , 62 1 7 ,09 1 5 , 77 14,61 1 3 , 59 1 2 , 69 1 1 ' 17 9 , 94 8 , 93 8 , 08

7 , 36 6 , 75 4 , 98 3 , 89 3 , 23

З н а ч е н и я непал н о й гамм ы-функции Г (k, и) могут б ыть взяты р а боты [66]. Око нчательное выражение дл я давлени я в н а пол­ няем о й ем кости в случае изоте р м и ч еского п р оцесса о п орожнения :и м еет в ид :и з

1Где

L=

k

L= (a -)k ! l + L [ Г (k, u) - Г (k, �)] ) , а+

(k - l )k- 1 Ро

2а В

"t

Ра Рп о

(7. 3 1 )

Va ехр (� ).

Vo

П р и постоя н но й т е м пе р атуре г аз а Из уравнения (7. 1 9) легко в идеть, что плотность газ а в н а пол няемой ем кости пол н остью о п р еделяется п роцессом опорожнения и скоростью изменения о бъем а и н е зависит от и нтенсивност и тепло­ о б м е н а в н а под н яемой е м 1юсти. Поэтому формуд ы (7.24 ) , (7.25) и (7.26 ) выражают и з м е н е н и я во времени плотности, а т а кже и дав.лени я газа в н а пол н яемой ем кости при посто я н ной темпер атуре г а ­ ­

за

в ней.

Гл ава

8

ЗА Б О Р Н Ы Е У СТ Р О И СТ ВА Т О ПЛ И В Н ЬI Х БА КО В

8. 1 . О С Н О В Н ЬI Е Т Р Е Б О ВА Н И Я И КЛ А С С И Ф И КА Ц И Я ЗА БО Р Н ЬIХ

УСТ Р О й СТ В

З а борное устройство является в а ж н ы м эле:>.�ентом топ.�ивного б а к а и систе­ мы пода чи топлива. Систе\l а подач и топлива предназначена для подво ..::tа свободных от газовых включений ж и дких компонентов к двигательной уста-новке в п роцессе работы. Таким образом заборное устройство должно обеспечить непрерывную подачу ком нонентов топ.1ива из бш<а к двига тельной установке: м а ксимальную выра­ ботку ком понентов топлива из бака без нарушения сплошности потокз , т. е. МИНН"-'I а .1ьные остатки неза бора жидких ком понентов топ.1нва в баках. Дл я орбита Л ьного космического а п п а рата как в условиях н евесомости, так и в ус.ювиях отрицательных и боковых перегрузок система подачи до.1жн а : обеспечить контакт всего компонента и л и его части с з а борным устройством бака ; п редотвращать попадание газа в за борное устройство при з ап уске и во время ра боты двигательной уста новки ; сводить к минимуму воронкообразова ние, захват газа и механические загрязнения, снижающие эффективность работы д в и ­ га тельноН уста новки ; эффекти вность летател ьного а п п а ра та в з н а чите.1 ьпой сте­ пени зависит о т полноты использов а н и я з а п ра вленных ко�шонентов топ.1ива. Объбr ком понента тоrшива, з а п р а влен ного в то п :ш вн ы ii б а к , еостою и з ко �r ­ понснта, необхо.1 имого .:tл я работы двигательной уста новкн в течение заданн ого времени, га р а н т и lшых з а пасов и оста тков н е з а бо р а . Ве:ш ч и н а остатков нез а Gор
7. Высок�' Я у с т о ii ч н в о с ! > з а бщнюго у с т р о ii с т в � I ! j l • т : в i . ( . p fiOЗ I ! I I . Э и т р е б о ­ вание я в.1яетс я в а ж н ы м п р н р .1 бо т е Ж Р Д н а а г ресс н ! Н i L! _ . и: �1 r ю н е н т а \ тo п J! i JВ ::J 1 1 п р и Д.1ИТе,1Ы10�1 х р а н е Н И И К О :\! П О Н ОI ТО Б ТОП.1 1 1 1J а В б а к а х .

1 12

б

8

7

�

0)

а)

"

8

10

9

1

t г)

9

5

il)

Р и с. 8. 1 . П р и н ц и n на.1 ь н ы е с х е м ы забор н ы х 11 внутр ибаковых устройств:

а - 1\З ч а ю щ н i i С Я з a Uop ш i J.;: : й - вра щ а ю щ н й с я З (:! G o p i ш J.;: ; в - n ы т с с н е ш r е т о п л и в а n о u ш н с \1 ; г , д - B Ь I T C C H <: H I I C Т О П Л И В а С П О :\t О Щ Ь Ю Э.1 З С Т 1 1 Ч Н ЬI Х ) f (" J I I I\ O B : } - С Т С Н К З бака; 2 - C J I ."! h Ф o н ; :1 - .:� н н ш е . 4 - з а б ор н и к : 5 - c m r в н oii т р у б о n ровод; 6 - шта нга : 7 - порш е н ь ; 8 - тоуба н а .1 .:х у в а ; У - э.1 а стн ч н ы ii \ f C Ш O I \ ; 10 - ш т а н г а с отверст н я \: l н .1 ...1 я н n .:t .::r. yв a :м е ш к а

K po �t e

перечислен н ы х в ы ш е требов а н п ii на конструкшrю за борного 1 1 В Н \'ТJШ · в.1 и янпе спешrфпка испо.1ьзова н п я .1 е т а те.� '> ;ю г о

бз l\ о в ы х � с т р о l! с т в о к а з ы в а е т

а п п а рата.

О с н ов н ые типы з а б орны х уст р о й с тв

:К о н .: тр у юш я з а б о р н о г о у с т ро ii с т в а з а в н с r r т от з а .1а ч . в ы пn.1 1 1 яе м ы х .lета тс.l ь­ Н Ы \1 а п п а р а то�I . а тa iOiie о т конструктивного в ы п оа н е н и я и ра з "' сщен и я т ·· · :-r .l i i B · н ь r х ба к о в 11 д в 1 1 га те.1 ь н о ii \ C T a i i O B IШ . 13 да11 ном р а з .:� е .1 е прЙ ве;J.ен ы некоторые возможi1ые варианты вы по.1 ;; е н п я

� стро йt' 1 в . у с 1 а н а в . ш в а с Уr ьiх в топ.1нвных б;, к ;: х р ;: J\ет з а р у б ( ;.;.; Н < J Г О п р о п з в о дс т в а . На р и с . 8. 1 , а приведена п ринципиальн з я схема качающегося заборн;ш а .

:i а борных

За борники такого тпп а подвешива ются на гибком сильфоне. П р и возникнове;J < t l ! поперечн ых ускорений п р и м а н е в р е ракеты заборник п еремешается вместе с к о м · понс1пом т о п .1 и в а . н а ii.1 о н я я с ь в необходи м у ю сторону вс.1едствие изгиба силь­ фона. Ребра, установлен н ы е на конце заборника, способствуют увлечен и ю з а бор­ инка за объемом компонента топлива и яв.1 я ются воронкогасител я м и . Вращзющийся з а борник уста на вливается на центральной трубе ба ка (ем. р и с . 8. 1 , б) При действии на ком понент топлива инерционных с и л они действ у · ют также и н а з а б о р н и к 1 1 п ов о рачив а ют е г о вслед за ж идкостью. На рис. 8 1 , в показана схе�1 а пода чи компонента топлива с помощью пор:н ­ н я . В таких ракета х ба к и вы пол н я ются в виде механически обработа н н ы х цили ндров, внутри кото р ы х перемеша ются поршни, вытесняющие к о м п о н с н ть1 топтша . По р ш и н перемеша ются под действием газа. Такие схем ы по;:r. а ·ш к о м ­ понента топлива использовались на р а кета х «Шметтерлинг», «Эрликою> 1 1 д р . В двигателе «Шмиддинг» в качестве компонентов топлива и с п о.1 ь з о в а .� с я метило в ы й спирт 7 8 % -ной концентрации п газообраз н ы й кислород. Газообраз­ н ьtй iШС.1ород использовался дл я вы теснения сnирта из бака. Кислород пост у п а J1 в рез и н овый м t•шок, который, раздува ясь, вытесн ял сп;rрт в д rшгатель (рис. 8 1 . г ) . :К роме такой схе�1 ы подачи в д вигате.1ь комnонент тоn.1 и в а м о жет п о УJ е щ ат ь с я в э.1 а стичном Yr e ш ii e , а г а з н з .1 д у в а п о д а е тс я в тоnтш н ы й б а к ( р и с 8 1 , J ) . Та к и е схем ы н е н а шл п ш и ро l\ о г о п р юt е н е н и я , т а к к а к х р а н е н и е топ.1 и r�з в тз1шх м е ш к а х дтпе.1ьное вре�1 я за т р у д н ен о . K p o �I e т о го п р и т а к о ii .

1 ] 3'

схеме

м с ш 1 . '1

обяза те.1 ы 10 к

н тнш яiотс н

з а с тоii н ы с

зоны

и з - з :t

н с н Jю т н о с т н

Iю н с т р у iщiш ба к а , ч т о п р шю;: н • к уuел ич е н н ю з а п а с а

h O :.I I i (J I I C I I Тa

T O I I .l i i iH I .

н р нJюгш ш я

I I С I!спот. .з у е м о го

ос о б е нно с тыо работы , ш н г а тел ь н ы х ус т а п о n о к ракет- носителей я в:J н�тся за п ус к ;щ и гатслыюй установки на к а ж .1о�1 блоке при н а л и ч1ш перегру­ зок. Эш перегрузки о беспечива ют постоянны й к о п т а кт за борных устройств ба к о в с ); : н .щ шш компонента м и топ.1 и в а и о бес п с ч н в а ю т бесперебой н ую по д а ч у к о м ­ Х э р :ш те р н о ii

п о н е н то в к д в и г а тел я м . Н а .1етател ь н ы х а п п арата х , 1юторые н е имеют значите.1ьн ы х б о к о в ы х усiю­ ре н н й , о б ы ч н о прю1еняются с.1 е д у ю щ и е за борные ус тройст в а : в в и д е сли в н ы х отверсти ii в ш t ж н и х д н и щ а х с р а зл и ч ны м и в о р о н ка га с я щ и м и у с т р о i'i с т в а �ш ; конические ; сифон н ые; с разтt чными проти вопрова.1ьн ы м 11 таре­

кольцевые. На выбор п! п а з а борного устройства существенное вюi Я ш i е оказыв ает гео ­ м е т р н я н и ж н и х днищ топл ивных баков. По типу расположени я за борн ые уст­ ройства на н и ж нем днище топдивного бака подраздедяются на центрадьные и б о к о в ы е . Д.1я топд и вны х баков с тороида.1ьным дн ищем наибодее широкое прю1енение пол у ч и д и коды1е в ы е заборные устро йства . В отдел ьн ы х е д у чая х н а торо пда.11 ьных б а к а х применяются боковые и сифон ные з а б орные устройства . В топдивных баках с днищем, выполненным в в и де сферы и л и ш арового сегм е нта, широко применяются центральные, сифонные и боковые за борные уст­ р о й ст в а . д .1 я топливных ба ков с кони ческим днищем - центральны е и сифонные за б о р ные устройства. По количеству в ыводов расходных м аг ис трале й из днищ заборные устрой ст­ ва п одразделяются н а одноточечные и многоточечные. На боко в ы х за борных устройствах гидравлический остаток незабора выше, чем на центральных и си· фон ных, н о компоновка летательного а п п а р ата при этом может быть более оптн�1 альной. В ы бор того или иного типа з а борного устройства определяется конструкцией н ижнего днища, общей компоновкой топли в ных ба ков, количеством то ч еl\ в ы во да расходных м агистралей из днища и др. Н::1 р 1 1 с . 8.2. а н о к а за н о заборное у с тр ойст в о с центральН Ы ).! о т б о р о м б ез н а ­ Л I I Ч I ! Я специальной тарели н а д заборным устройством. На рис. 8.2, б приведено за борное устройство, в котором д.1 я умен ьшени я скорости подтекания жидкого компонента топлива н а д сли в н ы м трубопроводом уста н а вливаетс я специальна я тарель, котора я может быть выполнена в виде плоской к р у гл ой пластины или пласти н ы , п рофилированной по л и н и я м тока . Дл я некоторых типов Jюнструкции баков ракет из-за невоз можности конст­ р уктивного выполнения центрального з а борного устройства (при наличии в баке тонне.1Ьной тр у б ы или п р и м алом расстоянии межд у днищем и двигателем и т. д.) з а бо р н ые ус тро йств а обычно выполняются с м ещенны м и о т оси ба ка ( р и с . 8 . 2, в ) . Такое за б о р н ое у ст р о й с тв о по своим х а р а ктеристикам значител ьно х уже цент­ радьн ого, так 1\а к для обеспечени я равномерного. о п ускания компонента топлива и пс каючения вих р е в о i1 воронки необходимо усложнять конструкцию воронко­ г а с и теля. Кроме того, в баках со смещенным заборным у с т рой с тво �! имеются з а ­ ст о й ные зоны, и з которых компоненты топ.�ива н е могут быть использованы д.1 я р а б о ты дв и г а тел ьн ой уста н овки . Недостаток, п рисущий смещенным заборным ус тр ойс тв а �! , у с т р а ня етс я п р и испо.1 Ьз о в ш ш 1 1 сифон ного за борного устройств а , конструктивная схема которого п р п в е .J.ен а н а р н с . 8.2, г. В верхней ч асти отводящего трубоп ровода (сливного ) уста новлен г11дрозатвор, представляющий со бой стакан , в ы по д не н н ы ii н а д д р е ­ н а ж н ьш отверстие�� - Дренажное отверстие размером 3 . . . 4 мм СJJ у ж и т для д р е н а ж а в озд у х а п з с.1 н в и о й м а г истр<�шi при заправке компонента т оп л и в а в бак .1! Ю1 11 ;

р :. кеты .

На р и с . 8 . 2 . д при ведено за борное устройство топливного б а к а , и меющего кон11че ское днище. Над сливным отверстием установлен воронкогаситель. На р и с . 8.2, е приведено ко.�ьцевое з а б о р ное устройство, о х в а т ы в а ющее н и ж нее д н и ­ ще тор ондального т о п л 11 в н о r о бак а . К о м по не н т топшtва из бака в д в и г ател ь П t >ст упает через отверст 11я в днище б а к а в же.1об. Же.1 о б мо жет о х в а ты в ат ь д н и ­ щ-� бака полностью либо частично. Из желоба к о чпонент топ.-шва поступает в д в и г з те.1Ь. На рис. 8.2, ж п р и в еде н о к о н стр ук т и в н о е выпо.1 И С Н IН' з а бо р н о г о уст­ ройства в т о п д и в н о м б а кс с у то п .1 е н н ы м д в и r <J тс:I е :-.t . Кr)\IП О н r н т т о п .1 1 1 В :J н з б а к а ( 14

J�jJ'� ,� � а)

6)

б)

г)

� ll�JP' /lli �

2� д)

J

'

е)

8

ж)

з)

�

Рис. 8.2. Раз но в идности n р и н ц и п иадь н ы х сх е м з а б о р н ы х и в н ут р и б а ко в ы х устройств:

а - цt· н т р а .l ь н ы й о r (ю р tJ c � Т 3 )11.'.1 1 1 ; 6 - U t.' i ! Т p <J .1 1 > 1 1 Ы ii u т G o p с т а р с 1 ыо ; в - с : м е щ е !-Р1 Ы . - 1 Н ­ б о р т о п .1 1 1 В а с B O J IO H K O I а с l ! т с .:н_' ч н а д c .l i ! B H Ы :\1 от в с р с т н (' :-. t ; г - с н .1 L ф о в н о е з а G о р rю -: � с т ­ р о й с т в о : д - � а Гю р н о с у с т р о i i ст в о т о П .1 I tв н о г о G а к а с к o t! I I Ч C C J\ 1 1 :'11 днищем; е - ко.1 ь u � з пс з а G о р н о с у с т р а П с т я п т о р о н д а .l Ь ! I О Г О ба I\ a ; :ж - 1\ 0.-l b Ц C B o L' J a G o p н o c � с т р о й с т в о т o n .1 ! J E ;-J O ГO б а 1.;: а с у т о п .1 е ш : ы ч ,1 B I I Г <.H c .,l c :-.t ; з - к о л ь ц е в о е з а G о р н ос у с т р 01''!с т в о в ц и л и ндричесi..: О :> ! r, a 1.; c с в о г н у т ы ч .J. I ш ще ч , н :-.1 с ю щ l' l' ч r r о г о т о ч с ч н ы ii от G ор т o n .l i Ш a ; 1 - с т е н к а бака ; 2 - J ! l ' l l ll c ; 3 -- - c.-1 п в r r o i 1 т р � fi o ! J p o rзo;_t; -1 - т а рс-."1 1, ; 5 - т о н i ! L' l ь н а я т р у G а : f) - - в о р о н ноrа сите.тrь: 1 - cн­ ф o r J J J O c ::J :lt"J o p . ! Ot.' \ C T p o ii c T B Г' С: ПI .J.j)03 a T BOj)O Ч ; 8 - :ii\ C.l O G 1\ 0.l i . Ц t..' B O Г O з а б о р Н ОГО � C T f' ·�· : 12" T B CJ ; 9 - утопл е н н ы й д в и г а т е л ь

�

г)

д)

Рис. 8.3. Прииципиальиые схемы констру кциi! ворон когас ителей :

е)

а� б� в - р а д и а л ь н ы е р е б р а , у с т а н ов.l е JН I Ы С н а д т а ре.1 ь ю : г . д - т 2 р с."!Ь н е n р а в в .1 1. 1 1 • фоп­ �t ы , t? - р а д 1 1 <1 .i Ы I ЫL' р е б р а , 1 - 1\ О � ! Ц С ! ! Т fШ Ч С С К О с р l' б р о . ..!. - P
l

Р и с . /j.4. П р И f щ и n и а л ь н а я с х е м а с ист t� м ы дл я х р ане­ I I И Я к о м п о н е н т а т о п л и в а при с ве р х к р ит и ч е с к Jt Х п а р а­ метрах:

1 - .": () р о с 1 1 � {j f ,I Т O Ч I I O Г O . t c.t B�1 C I I I H I ; 2 - J а Щ) � В О Ч Ш1 Я '\I (I I' I I C T I J CI •1 1 • : 3 -- l\ 0 \t i J U f l l' l l Г С бОJI Ь Ш U Й l f J 6 Ы T U LI Н OЙ .J - П .' l l ,ll O O fi :ш..: Ш J J J K ; 5 - К Д. Bl l l а т е .'I Ь Н О Й ) C T a i i O В I \ l' . 6 - B I ! L' W I I Я Я о б О .l О Ч К СJ ; 7 - B I I YT PC I I I I Я Я o G o .l O Ч ii CJ , 8 - H d Г f > L' B �l Т L'.l Ь : 9 - П Э l\� )' \I Шl Я l l .i 0 ..1 Я ЦI HI 1 1 �1 0T I I OC T Ы O ;

от б и рае т с я нз КОеlьце вого ложенного в н и жней ч ас т и р ан и я .

ко:I:Iект о р а , р ас п о ­ с о п .1 а к а � t ер ы с го ­

l l a р и с . 8 . 2 , з п р и в е д с н а c x c �t a 3 а б о р н о г о устро i'tства Iщ.шндрнчесi<оi о б а к а с rю г н у т ы �t д H I I щe �I . В т а к и х б а к а х о б ы ч н о н с н о.l i>З } ют с я ко.1ьцевые за борные у стр о й ст ва с �ш ог о т о ч еч­ н ьш о т б о р а �! ко�шонента топтша на д в н г а ­ те.l ь н у ю у с т анов к у . с о с т о я щу ю нз нсско.1ыш х д в и г а теле й . Н а н более п р ос т ы м з а б о р н ьш ус т ро ii с т во м я в.1 яется устройство, предст а вленное на р и с . 8 . 2 , а . О с н ов н у ю трудность п р и пр о е к т п ­ р о в а н п н т а к и х з а бо р н ы х у с т р о й с т в п редстав.l я ­ e·r c co б o ii п р о ф и л и р о в а н и е проточной части, обеспечнва ющеl! равно�1ерное понижснне уjю в н я в баке. Д,1 я у ст р а н е н и я ворон каобразов а н и я над слшзными отверсти я м и устананпи­ ваютс я спе-!(иальиые воронкогасител и . Н а рис. 8.3 показаны некоторые возможные ва р и а н ты в ы полнен и я воронкогасителеlr. д.1 я у п р а влен и я движением косм ического аппа рата в п ространстве широко и с п о .1 ь з у ютс я дв ш· а т е л ь н ы е у с т а н о в к и на жидких к о щю н с н т а х топ.1 н в а . К н и м nредъявляются весьм а жесткие требова н и я . во м ногом отличные от т е х , которые пре.1ъявл яются к двигател ьным уста новка �! р а кет-носителей . 1\онс rрукци я з а б ор н ы х устройств кос м и чес к и х лета те.l ы i ы х а п п а ратов и м ее1 сван особенности. Повторный запуск двигателя в условиях невесомости возмо­ ж е н . п р и га р а н тированном обеспе•tении сплошности жидкости па входе в сливное .отверстие. Применяемые в настоящее в рем я компоненты топлива в основном явл яются смачивающими жидкостями, т. е. жидкостями, растеi\а ющимися по nоnерхности бака. В у с л овия х невесомости ком понент топли ва стремитс я смочить всю в н утрен н ю ю поверхность бака и газова я фаза оказываетt я в центральной части. окруженн а я жид1шстью. Таким о б раз о м , может п роизойти ого.1 е н и е забор· наго ус т рой с т ва . С истем а питания космического а п па р а т а дол ж н а обес п е ч и т ь : · уп р а вление п о · .'IОЖением топл и в а , ра зделение ж и д к о й 1 1 газообразных сред в ба к а х п по с т о я н ­ н ы ii контакт всего 1ю м п о н е н т а и.тш его части с з а борным устройством п ри л ю ­ б ы х н а п р а в лен и я х перегрузок. Для о беспеченпя сплошностп ком понента т о п л и в а в р а йоне з а борного уст· роitства используются след у ю щ и е с п о с о б ы : хра нение компонента топлив п р и сверхкритических па ра метра х ; у с т р о ii с тв а в ы тес н п те л ь н о г о т н пр ; и нерцион н ые систе�I ы ; капил.1 ярные систе м ы ; устро йстш1 н а копн те.'lьного т и па . ·

Хранение "ощюн ен та топ.шва при св ерх"ри т и 'l еск:их n a pa .1teтpax

Н а рис. 8.4 п р иведепа п р п нщшп а.1ьная схема

нента

п р о.: та

сис т е м ы д.1 я х р а п ен и я компо· п р п с в е р х крiпичссюiх п а р а м е т ра х . Из рис у н ка видно. ч то с ис те м а надеж н а . не т р е б у е т в с п о �ю г а те.1 ы i ы х с р е д с т в п о д а ч и этого ком понента

то пл и в а и

в .н и г а теJIЬ .

Компонент топли в а н а х о .1 1 пс я п о.< д а n.1е п и е м в б а ке , превышающе�1 кри ти ­ П р и та кю1 х р а п ен 1 1 1 1 н е з а в и с и м о от н а п р а в.1е н н я р з в н о .1е1kтвующеl\

ч с : !<Ое.

инерцион н ых сил гарантируетс я п од а ч а о д н о р од н о ii ж н д коспr О с н о в н о й п едоста · с и с т е :\I Ы - высокое д а в л е н и е в бака х , что весьма утяжел яет Jtвига тельную у с т а н о в к у . По этом у система хра нени я ко�IПонептон t� Jщ с в е lн �о; р ; п : Р t ес �о; и х п а р а · метра х я в л яется м з л u п е р с n е к т и в н о й дл я бо.1 ь ш и х з < . ш а с о в к о м п u н е нтов топтш а .

ток

Р11с. о

.. ;.

П р и н ц .. п иало.ные с х е м ы порш н евых вытесн нте.� ь н ы х устройств:

1 - /! ;; ; : : 2 - н а п р а в.т я ю щ а я .5 nc � ш е н ь с фс р и ч с с к н i!

-

труба ;

3 - поршень

с

зазоро";

4 - поршснь

с

у n .1от н е н н с " ;

Устройства вытеснительного типа

Н а рис. 8.5 п р и в едсн ы п р и н ц н п и а л ь н ы е с х е м ы п о р ш не в ы х в ы теснител ь н ы х у с т r ю i!ств. П р и н ц н н р а боты т а к и х с н е тем я с е н 1 1 з р ис . 8 . 5 . В т а б л . 8. 1 персчислены п р е и м ущества и недостатк и некото р ы х т и п о в с и стем в ы те.:: н и тельной под а ч и топл и в а , р а з р а бота н н ы х дл я искусств е и н ы х с п утн и ко в Зем.1 н [62] . В настоящее в р е м я и з в естно м н о жество конструкций в ы тесни те.1 ь н ы х с истем с эд а с тичн ы м и эл емен та м и (см. рис. 8.6, а, б, в ) . Э ффективность в ы тесн е н и я к о м ­ п о не н та топл и в а с п о �ющью эл а с т и ч н ы х р а здел и телей в ы ш е 97 % . Мате р и а л для и :irотов.1 е н и я э,, а с тн ч J J Ы Х мешков .1.ол ж е н б ы т ь х и м и чесю1 и н е р тн ы м , н е п р о н и ­ ц а е �: ы \1 ."\Л Я к о м п о н е н то в т о шш в '1 и г а з а н а д ."\ V Ш J , н е .1ол ж е и п о в реждаться п р и с к.1 а .1 ы в юш и , должен б ы т ь п р и годен дJI Я и з готовле н и я и з :! СШI Й р а зJш ч н о й ф о р ­ м ы 1 � ЖеСТКОС Т И . В ОД Н О М И З а м е р н к а Н С IШ Х ;1 В И Г а Те Л е Й Н а Г l l .'! р а з и н е r59l T O П ­ Л I I ii H Ы ii б а к и з готовлен из тита н ового с n .1 а в а (6% а .1 ю м н н и я . 4 % в а н а .щ я ) . Г и д ­ р аd а : · р а з мещается в м е ш к е 1 1 з бутиJювого ш ш э п i .1 е 1 1 1 1 ро n н.1 е н о вого к а у ч у к а , С().-:: е 11 ж а щеrо. в к а честве н а по.1 н и те.1 я д ву о к и с ь крем н и я ( н а и бо.1ее сто й к и й м а те ­ р н а .� . обеспеч и в а е т х р а н е н и е гид р а з и н а в теч е н и е нескол ь к и х л е т б е з сущес т в е н ­ н о г е р а з.:ю жен н я ) . Пол ностью искл ю ч и ть р а зложение r и ;1 р а з и н а и о б р а з о в а н и е в Вб! газов ы х п у з ы р е й н е у·д а е т с я , поэто м у за бор Г11:'1 р а з и н а о р г а н и з о в а н ч е р е з с п е ;.: п а .1ьное к а п и.1Л я р н ое устройство. 1I.1 я и з готовлен и я в ы теснител ь н ы х м е ш к о в используетс я теф.1 о н , ней.1011 и :: r' � тн е м а те р и а .1 ы . Э ти м а те р и а д ы п р и дшпел ь н о м конта кте с к о м п о н е н то м т о п .� н а а н е п редотв р а щ а ю т п ро н и к н о в ен и я г а з а н аддува ч е р е з �r а те р и а .� м е ш к а , с о .: :;ой сторо н ы , и п а ров к о м п о н е н та топл и в а . с д р у г о й . В рез у,1Ьтате этого п рс,;;-:ходит н а с ы щ е н и е к о м п о н е н т а топл и в а газом и п н р ы компонентов п о п а д а ю т в T i ' " кт с и с те м ы н а д д у в а б а ков, а поэто �1 у в о з �ю ж н а Н С I Ю fJ �1 а .1 ьн а я р а бота д в и ­ r а т t:.,1 ей 11 систе�! Ы в цело м . Н а р и с . 8.7 nока з а н р а з рез м н огосдо й н о й оболочк11 в ытесн и те.1ьного м е ш к а , мтт : ;' з я обеспечи в а е т п о в ы ш е н н у ю герметичность з а с ч е т фольги р о в а н и я тефд о ­ н а а л ю �ш н и ев ы м , тшсто м . Е а де ж н ы м средством р а зде.� е н и я я в,1 я етс я м ета,ы и ч еск и й сиJiьф о н . С и .1ьфо­ н · ,; м о гут и меть I\О н и ческую или цидиндрическую ф о р м у . К о м п о н е н т топт1 ва м ык ·� · ) р а з мещать 1ш к в н у т р и , т а к и с н а р у ж и с 1 1.1ьфон а . В н утреннее р а с п о л о ж е ­ н н :; Тё> п л и в а бодее экоnо м и ч н о с т о ч к и з р е н и я оста т к о в н е з а б о р а , о д н а ко п о я в ­ '" " " ' _ :о: о п а с н ость перасчет н о й деформ а u 1 1 и ( у.1..111нен и я с и .1ьфон а ) п р и осе в ы х nе;_1е�;) у з к а х во в ре м я в ы веде н и я н а о р б и т у п р и в ы кточ е н и и м а ршевого д в l! r а те ­ ·'' "' � : с м и ческого <:: ! ш а р а та ( р ис. 8.8) . Дл я п од а ч и ко м п о н е н т а то п л и в а без газо в ы х включен11й в ус.1 о в и я х н е n есо­ м оети кр о м е в ы тесш пе;J ь н ы х м е ш ков 11 с и л ь ф с н о в п р н м е н я ютс я м етаЛJш ч с с к н е r • здедители - д и а ф р а г м ы п е р е м е н н о й жесткости ( с м . р и с . 8.6, г) 11 рис. 8.9 . О . :ш а 117

Таблица 8. 1

Ср авне ние с и стем вытеснител ьно й п одачи топ л и ва r62] Ус-rрой с r на

д.1я

иы rесните.1ьных с и с 1 е�1 1 10дачи rон. ш в а

Систе"ы 110,1ачи

Не.:.tос , а ши

Прею1ущества

Пор ш не в а я

П р остота упра влен и я , воз­ :\ю ж н ость регул и р о в а н и я на­ ч а л ь ного объе м а г а з о в о й п о ­ душк и : небольш и е объе м ы н е ­ в ы р а ба т ы в а е �t ы х о с т а т к о в т о п ­ .1 1 1 в а

С Э,1 а СТ I I Ч Н Ы ­

МИ

С и сте�1а т я ж е.1 а я и не о б е с­ п еч и в а ет по.1 н оii г е р м е ш ::: н о с т и ).! еЖ д у П О .l О С Т Я \111 ; ВОЗ\� ОЖНЫ о т к а з ы в с .'! е .1 с т в п е переко.· :. I I ШI к о р р оз и и ; п р ю1 е н е н и е огр ;:: н п ч е ­ н о ци л и н д р н ч е с к и м и б а к . ' 1И Т р удност ь и з готовле н и я к а ­ •1 И б р о в а н н ы х б а ков б о �:,шofi ;I.l ИI I ЬI

З н а ч нте.1 Ы I Ы 11 опыт б о т к и ; у н п в е р с а .1 ыюсть нения

м е ш к а �ш

С �tе т а лл п ч е ­ ски м и сильфо­ на м и

разрап р и :о.t е -

П о.1 н а я гер :.� е т и ч н о с т ь ; J.O.'I · г о в е ч н о с т ь п р юt е н е н и я ; �t ного­ к р а пю с т ь п о в т о р н ых ци к.1ов з а п ол н е н и я В ысокая э фф ект и вность в ы ­ т ес н е н н я : в о з �юж н ость п о в т о р ­ н ы х з а п о .1 н е н п 1! б а к о в

С э ласт и ч н о й д и а ф р а г�юl! С м е т а .1.1 Н ч е ­

Хорошая совместимость с r о п .ш в о � t . н е ч у в ств ите.1ьность к tю.1 е б а н н ю1 т о п л и в а

ск о й д и а ф р а г · мой

2

из б а к : r

I l едо.1 г о в е ч н о с т ь прн "онт а кте с т о п .1 п в о м ; газс - ро н и ­ н е в о з :о.ю ж 1 ю с о, п о ­ ц а е �ю ст ь , в т о р н ого з а п о.ше н и я бr.:, _. н з ­ з а н е к о н т р о.т i t р у е ).! о го СJ\ Л а д ы ­ в а н п я и п о я в .1 с н и я н е г е р " О' � н ч ­ н о с т н в р е 3 }..1 Ь т а те обр :. зо в а Ш I Я ск.т а док Б о л ь ш а я �1 а с с 2 , п ереко : ": п р а

в ы те с н е н и и

п р и 1\С>нт а к ­ топ.1 J J В о �1 ; n р и м ене1: н е u г ­ р а н н ч е н о б юс щ 1 сфер и r; е с к т'f

те

Н едо.т г о в е ч н � J с т ь с

фор м ы

П р юi е н е н н е о гр а н и ч е н ' tkJO­ 11 к о,l и чест в О :\1 р 3 б;, _ т ы в а н н i i ; \ J a лne ч исло г. ) В 1 о р ­ н ы х цн к.1 о в :1 a :: r л н е н и я

�ю й б а к а

3

г)

а)

Рис. 8.6. П р ии ц и п и а л ь н ы е с х е м ы забор н ых и в нутриба к овы х устройств с а.1а с тич и ы м и эле­ мента м и : а - 3.l a C П I Ч fi Ь' I'i Ч е Ш О I .- . З <Нф С' П .1 \.? I I Н Ы Й н а Ш Т З I I Ге : 6 - Э .l с:J С Т I I Ч Н Ы Й :\f е Ш О К , C B O U O .l. H O I I Ct X O ­

Д Я Щ I I ii C Я В (i u к c . 6 - B bi Т (' C !c! e i i i i C Т О П .1 1 1 В
(J a ю.l

С П О � 1 0 Щ L Ю ЩJ Д Д ) B CI Э .ТJ <J С 1 ! 1 Ч I I О Г О !'.1 C I J J I<. U ; бак: 2 - Э.'l а с пt Ч ! i Ы й м е ш о �< : :� ­ Ci O ii ; :.J - :.Х I ! <.� ф р а пt а п е р с м с ; . ! . о ,. J ж с ст кост"'

J - тоn.11 и в н ь�it

1 18

113

п а т р)

2 ' "' "'""'-"'" /"'( ><'><

�.(1,

" "'' -"-""'/"1

1 J

1

2

Рис.

'' . i.

><'>< >)< 1 4

Р и с . • . ". 1 -

0 , 25 м м ; А - газ;

Сте н ка а.1 Ю М II Н ИЗ11рованиого тефлонного вытесн ительного м е ш к а в разрезе:

1 - а .1 о �ш ни � ва я фо.1 ь га 4 - т �-:· .1 о н F E P 6 = 2 �r м ;

2 - те ф л о н Б - топли во

FEP

6=3

м �1 ;

3 - те ф .1 о н

FEP

6= 1

мм;

П р и н ц •ш ••альная с х е м а сильфон иого вытоснительного устройства:

iОП�1ив н ы Н

б а rс 2 - с н л ь ф о н ;

3 - н а дд у в б а к а

iP 1 1 c . ' · g. Д и а ф р а г м а переменной жесткости д.1я вытесн е н и я топл и в а из бака:

1 - п (; ).l о ч к а

д н а ф р а г ,t ы ;

2 - п о я с ж е с т к о с т и из л р и п а я н н ой n р о в о.'t о к и

т � : ш х д и а ф р а г м и м еет тол щ и н у о болочки 0,2 . . . 0,25 м м , ди аметр 584 мм п е р е м е н н ую жесткость з а счет н а п а й к и м едью 25 п о я с о в п р оволоки д и а м ет­ ро:л 2 . . . 3 мм на с ф е р и ч е с к у ю п о в е р х н ость д и а ф р а г м ы . Т а к а я д и а ф р а г м а вы­ дер ;;ш в а е т шесть циклов пол н ы х п е р е м ещен и й и требует для своей полной в ы 1\ла .:: Iш п е р с п а д а да влен и й в ел и ч и н о й 0 ,0 1 4 . . . 0,042 МН / м 2 . Э ф фективность в ы ­ те.:н :: n и я ком пон е н та топ л и в а с п о м ощью т а к о й д и а ф р а г м ы составляет 98 % . ю

11

Инерц ионн ы е

с и с т е.н ьt

К и н е р ц н о н н ы �r с н с т е �r а м о т н о с я т с н : центробе ж н ы е с н с т е �1 ы и с и с т е м ы с не­ бол ь :.u и м и вс п о м о г а тел ь н ы м и д в и г а тел я м и . G центробе ж н ы х систе м а х п р о и з водится з а крутка б а к а и л и топл и в а . Инер­ ц r ю � ' .; ы е сил ы обес п е ч и в а ю т се п а р а ци ю ж r ц iюсти и г а з а . Н а р и с . 8. 1 0 п р и веде­ ны Г ;) н н ц и п и а.% н ы е с х е м ы ц е н т р о бе ж н ы х р а здел и тельн ы х устро йств, основа н н ы е н а .i .: крутке в с е й ж и д кости в ба ке. О с н о в н ы м недостатком с и стем с центробеж­ ной с е п а р а ц и е i'r яв.т я ются большие з а тр а т ы энергии на в р а ще н и е к о м п о н е н т а , о с о с � н н о п р и бол ь ш и х Iюл и ч ества х ж и д кости в б а к е . Поэто м у т а к и е систем ы n е р• : :: екти в н ы .:ш ш ь д л я б а к о в с м а л ы м кот: ч еством жидкости. С целью умень­ ш <: н ;; я з а т р а т можно n р и водить в о в р а ще н и е н е всю ж идкость, н а х од я щ у ю с я в б .; : :е, а тол ько часть ее, н е о б х од и м у ю для обеспечени я переходиого режи м а .

r-I a р и с . 8 . 1 1 п р и веде н а п р и н ц и п и а л ь н а я схем а и н е р ц и о н н о й с истем ы с в с п о1\: о г ·.; -:-ель н ы м и . щ и г а те.т я м и , о беспеч и в а ющи м и п р и л и в жидкого компонента к ю ш :...: у б а к а . Под деiiствием р е а к т и в н о й с и л ы , кото р а я создается с п о м ощью н е ­ б( ы ь ;.:r п х тве р.1 о топ,т и в н ы х д в и г а те л е й , летательном у а п п а р а ту сообщается уско­ рение; и ж ид1ш й к о м п о н е н т топл и в а п р и л и в а е т к з а бо р н ы м устройства м . В ре м я р а боты в сп о м о r а те.1 ьн ы х д в и г а те.1 е й в ы би р а ю т т а к и м о б р а з о м , ч т о б ы обесп е ч и ть П ('!J< ' ХUД ЖИДКUС Пi 1 1 3 с т а б ! 1.1ЬНОГО C U C TO Я H II Я , х а р а кте р Н О Г О Д.l Я п р е в а .ш р у ющеГО в ю t яаи я м е ж м олеку.т я р н ы х си.т , в с т а б и .тьное состо я н и е , х а р а ктерное дл я воз­ действ и я и н е р ц и о н н ы х сrш. Э тот режим н а з ы в а ется переход н ы м р е ж и м о м . Если п редположить, что г а з о в ы it п уз ы р ь после вкл ю ч ен и я д в и г а теля н а х одптся в б .т и з и з а борного устроi1ств а , тогда п р одолжптеJiьность р а боты в с п о м о г а те.% н ы х д в и г а ­ те 1Тей т можно п редста в и т ь в в п д е с ум м ы времен т = т1 + т2, г д е т 1 - врем я , н е ­ о бход и м ое для п р и.т н в а ж и д кого ко м п о нента топ.т и в а I < з а б о р н о м у устрой с т в у ; т 2 - вр е м я , н е о б хо.1 1 1 �1 0 е д.� я п ро х о ж д е н и я г а з а ч е р е з ж пд ю r ii к о м н о н е н т т о п ­ лива.

1 19

5 8

Рис.

8.10.

П р11нцип наnыt ые с х е м ы центробеж н ы х раздепите.1 ь н ы х ycтpoii c rв [ 62] :

а - с :\tе х а н н ч с с к о ii З ёНi: р ) п..: о й к о �ш о н е н т а т о пл и ва ; б - с з а к ру т к оii ш..:тн в �ю й il\ l l .: h )('ТЫо ; 1 - т о п .1 и в н ы й б а к : 2 - .1 о п а с т и : 3 - r и дротурб ш ш : 4 - т р у б о п ровод. п и т а ю щ и i i г • . ;:рот} р · би и у ; .'j - Т 3 Н Г С Н ЦJ ! а ,1 Ь Н О С з а б О р Н О С }" CT)>OiiCTBO; 6 - К .1 3 П 3 1 1 отбора Ж И д К О С Т И ОТ Т ; ' \ . 7 т а н г е н ц и а л ь н ы й rJоднод а к r н в н о й Ж lt дt..:ос т в ; В - T I I A ; 9 - о т с е ч н о й к.1 н n а н ; 1 0 - - :l :.; , ! f <J Tt'..'l b -­

нa я

у с т а н о В J< а

Рис. 8 . 1 1 . П р и н ц 11п иап ьная с х е м а инерционноli систе м ы с вспомоrате.1 ь н ы м и обес пе ч иваю щ а я п р ип и в компонента топ.• ив а к дн11щу бака :

1 - к о рпу с р а к е т ы : 2 - с ф е р и ч с с ю t й на т в е р д о �• т о п т r в с

бак:

3 - ко�r п о и с и т

Cucтe.ttьt подачи топ .zива, uспо.z ьаующие

cu. 1 ьt

Дл я

т о п .1 и в а :

.J - г а з ;

дВtt r а rе.1 я м и . 5 - :: ё

"<' l'•'JIИ

поверхностного натяже � :�я

упр�в.1ен и я п оложение� топлива в баке кос:о.ш чесzшх а п п а ратов ш и ро ­ о б 1 а ;r аю т п ростот01"1 , о r.ус.l о в ­ ,,е н н о й отсутс т в и е м д В I J ж у щ и х с я ч а с т е й , а та кже не требуют в н еш них н .: т оч н и ­ к о в .ы я своей ра боты. С уществуют .1 в а с п ос о б а р е а 1 н з а ц шi 1\а пи.1.1 ярных с н с т t \ 1 ' ста бн.1 з <� ш н r ко применя ются 1\апи.1л ярные систем ы, которые

.

.

•.

Н а р и с . 8. 1 2. а птше.1 ена прн нцнпиадьная с х е " а с н с те �1 ы первого т , - .1 . И з рисунка видно, ч то та i, а я снетем а у.1ерживает то.1 ыю o г p a Н ! P I E' I I H O e I
T O ! I .l И B a ;

СТ3 б!1.1 1 1 3 3. Ц I I Я O C I I O IШ O Й М3ССЬI

T Q П ,l i ! B a .

,

тяги.

На рис. 8. 1 2, в показан ы некоторые схем ы р е а m J З а u и и к а пилл я р н ы х систем , когда пространство между стенкой бака 11 эк р а н о �1 з а п о.1 нено - п е р ф о р а ц и я п озво л я е т удерживать компонент топли в а в э т о м п ростра нстве 1 1 п р и небл н го · п р и я т н ы х усi\орениях и осуществ.1ять связь к о �1 n о нс н т а топтш а у з а б о р н ого устройства с IЮ�t понентом топлива в л ю бо м м есте на с те нке бака . Компонент топ.1 и ва всег.1а на ходится у стсню1 бака в з он е , оп реде.1яемоii направлеиием приложешюrо ус1юрения, и поступает в з а б о р н ое устройство, перемеща ясь п о кольцевой ш е .1 1 1 м е ж д у стенкой и экра ном. К о г д а к о м п о нен т топлива заним ает весь о бъе�1 б а к а . п ространство меж.1у стеН iюii 1 1 э к р а н о м также за полнено топ ­ диво�! . есл и в б а к е и м ется газова я подушка , то 1\ О М п о н ент т о п л и n а скапливаетс я в к о 1 ь ц е в о й ще.1 1 1 п о д де й с тви е м к а п н .1.1 я р н ы х с н .1 . 1 I е о б х о д i Ш О о п1 е п п ь ч т о у с т р о i i с т в а ч а с т и ч н о й с т а б ! 1 .1 1 1 З а щш , к а к п р а в и л о . м е н ь ш е п о р а з м е о а м , .l t'гче 1 1 :>� е н е е :ю р о г н • 1 е ч � с т р о ii с т в а с т а б и :ш з а щ ш в c e ir .

.

м а с с и1

1 20

т o п .l i i B :J .

Не

.

1 0 с т а т о к - с .l О iiш о с т ь

о р га в и з а шш

п р оuесса п о в то р н о г о з 2 n о .1 -

1

2

9

в)

б)

Рис. 6 . 1 :? . П ри н ципиальныс с х е м ы к а n и л л я р н ы х систем управл е н и я топливом в баке:

у д с р ;Ф� а н н с м ч а ст и т о п л и в а ; 6 - ста б и л и з а ц и я о с н о в в о й м а с с ы т о n л и n а ; в - н е к от о ­ 2 - удср ж и ­ Р Ы \...' С '\ +..:' Ч Ы p c a ..1 H 3 a Ц J I I I J\ а rш л �'l я р н ы х с н с т с �1 : 1- н с ст а б и л l ! J it р о в а н н ос т о пл и в о . ШI Ю Щ ! I i i э к р а н ; .3 - ста б н л ti з и р о в а н н о е т о n .1 н в о ; .J - з а б о р н ое у с т р о i'! с т в о ; 5 - о с н о в н а я м а с­ са T O J T .l l f B a . fi - п р и ст е н о ч н ы ii э 1..: р а н ; 7 - n срфорнрова н н а я П J > и с т а в J..: а ; 8 - н а ддув бака ; 9 - С l' Т I\ :l. · э к р а н ; 10 - с с т ч а т ы ii с т а к а н

а - с

I I C II ШI Н а КОП ИТС 1 hНО ГО уст р О Й С Т В а п е р С .< к а ж .:r ы '1 з а п уско:-1 д в и г а те.1 ь н о й уста н о в к и . Устройств а , ста б н : н! З i r р у ющ и с всю � a c ­ c v т о п .1 н в а . об:r а д а ют большой �r ассой н .

!�O IICT p )"KTИBHO

с

бО.'IС е С Л О Ж Н Ы , ПО

cpa BHCH I I IO

с нс те"r а :�ш удер ж а н и я ч а с т н топ.1 и ва . Н а р и с . 8 . 1 2, б п р и ведена прi!НЦI!ПI!­ а :н . н г Е схе:�1 а уст р о й с т в а , ста б н л и з н р у ю щ е г о

Рис. ·" . 1 .3 . П р и н ц и п и а л ь н а я С Х С' М а б а к а с r11драз и ном :

1 - т о п ;-;: и н н ы il G а к ; 2 - в е р х н и В Щl i\ О Ш ! т сл ь н ы й y з cJI ; 3 - се т ч а т ы е JI\ I I В.
Рис. S . 1 -1 .

П ри н ц и п и а.ТJъ н а я

схема

бака

с

п родол ьным

Э I� р а н ы ;

4 - г а з о у дl' Р ·

осес и м м етри ч н ы м

капилл я р н ы м

1 - о с , :.: з :юii э к р а н ; 2 - д о J I О .1 J ш т с.1 ь н ы й э к р а н ; 3 - т u п .1 1 Ш н ы й Gа к

121

Р и с . 8. 1 5 . П р и 11 ц и п и а л ыr ы е

п ител ьноrо типа:

' {i�-_

3 2

1

- -

-_

-

t

с х е м ы с и сте!'-1 на ;с,о­

а - с и �1 ь ф о ш ю с н а к о п и т с.1. ы ю с y c r p r · с пю . 6 - С р а -1:\.Н� Щ С Н И С :\1 l l a K O JI I f Т (',.1 b H O Й <. " I J\ C C T И B H \' Т IHI б а к а : в - с JJ a з ;.. r c щ c шtt..' \1 н а к о п н т с л ь ­ н о в C :\t K O C T i f з а 11 Р t'ДС.1. 8 :\Ш ба к а ; г - " ра i­ �I C Ш l' H И C \1 н а коп и т е л ь н о й с �1 1.; о с т и н а н н . .l ! I B ­ н o fi �ш г п с т р а .1 1 1 : 1 - � r а п s с т р а л ь н ы й к.,fJ <: , 2 к р а н н а к о ш п с �1 я ; 3 - н а .з. .:IS В б а к а : ..: - т o n ­ .'I И B I-I hl ii б а к ; 5 - с и д ь ф о н - н а к о п н т с .,1 ь : G -- а з Н 3 К О П И Т С .1 Я

Haili/yб б)

в с ю ;1 ассу топлива. Д.'lя баков, ю r е ю !Ш I Х большие р а з м ер ы установка це.1ьного экр а н а п р и ведет к з н а чите.1 ьно;1у у т ю:-:с ­ ,1ению конструкции. В этом случ<' С н с ­ ,тесообразно ПСПО,lЬЗОВаТЬ К О.1.1С!-: Т tс р н ы е устройства в местах воз;южного J .:' !1 О ­ .1ожения топл и в а . При:\rером такого ре­ шения м ожет служить конструкu ! ! я �·1Jс­ рического бака с г и д разин о м диа ч -: тро�r 1 575 М :\1 ( р ис. 8. 1 3 ) . Ко.1.1екторы з �ш о:I­ б) няются топливом с помощью к а ш J . ! .т я р ­ ных сил после выведения кос1<'! 1 1 Ч с � rшго 1 п п а р ата на орбиту п обеспечи в а ю т <' в я з ь. с запорным устройством н а протяжении всего nо.тета. На рис. 8. 1 4 п р и ведсн а n р ! ! :! ! l ' I П И ­ а.1ьная схе м а б а к а с продольны ;! о с е ­ СИ:\! метрнчньш к а п п.1 л ярным эк и н о м . Д а н н а я конструкци я х о р о ш о р а б о т а е т при малых ускорениях. В по.те ·.r а .1 ы х ускорен и й расположение н ф о р \ ! а с в о ­ бодноlr п о верхности ж ю.костн о n р С ,1·�. r я ­ ютс я гео:-..r етрией экранов. Конусоо '\ р а 3 ные экр а н ы не только с о бира ют - , ны в ­ z) а) во непосредст венно н а д за борнь• ч устроi'!ство:�оr , но н обеспеч и в а ю т с в я з ·, з а ­ борного устройства •со всем н 3 ·н r юш бака. В случае б ольши х ускорен ий КQличество экранов может быть уве.1 Y c J J O . Д л я обеспечения подвода топ.1 н ва к заборному устро ilству в пер иод ;r c . \ : т в н я боков ых ускорений экраны могут б ы т ь продлены до стенок бака, в это�' .: т- • J а е л ини и пересечения экранов с о стенкой бака т а к ж е станов ятся дoпo.lн llтc.l t-нofl связью, способству ющей поступлен и ю топлива к в ыходу из бака . ,

--

.Устройств а н а коп и тел ьного тип а

На рис. 8. 1 5 приведсны принципиальные схем ы системы нююп ите.1ьного ти па. Эти устройства являются п ростым и и обеспечивают повторный зануск )КР Д в невесомости. В качестве н а копительных устройств использ уются мало.11праж· ные ем кости, которые могут уста навливаться в основных топливных баках ( рис. 8. 1 5, а, б) или за и х п ределами ( рис. 8. 1 5, в) или предста вляют собой проточные конструкци и на топливных м а гистра.1 ях , которые отдел яются от основно,'i е:\1 кости разделительным кла п а ном ( р и с . 8. 1 5, г) . В ы теснение топ.1 и в а !13 эти х ем костей п роизводится с по;ющью дн:::. Q рагм или эластичных ра здетпелей под действием газа наддува . Объе�1 накопнте.1ь­ ных емкостей в ы бирается таким, чтобы за в рем я расходова н и я топл и в а н з этих емкостей к днищу основного топлив а бака успевало приливать оста вшеес я в баке топливо. Накопительные системы целесообразны при наличии весьма бо.тьших ко.1пчеств ко мпонент а . Эффектив ность н а ко п н те.1ьной снсте�1 ы не з а в ; : с н т от геометрии топливного бака. 1 22

8.2. К О Л Ь Ц Е В Ы Е З Л Б О Р Н ЬI Е УСТ Р О й СТ В А

ДЛ Я О Т Б О РА Т О П Л И В А И З БА КА

I i с i юльзо в <: н и � о.шого 1 1 .1 1 1 нескольких сливн ы х отверстий для тороидальных ( а 11 а.� о ги •ш о цшш н д р и •Jесiшм бака м ) нецелесообразно ввиду большой не· р а в ш) :. I е р ности о n усl\а н и я уровня в баке, вследствие чего и меет место n реждевре­ Уi е н i : ы , : прорыв г а з а в с.1 и в ное отверстие. Кроме того, нера вно�1ерное опускание y po u i i 'i компонента топл ива вызывает круговые движени я по образующей тора в с т о р о н у т о ч к и отбо р а . Поэто:.1 у одной из основных з а д а ч при обеспечении c m P ! :l ко :vш оне н т а топ :ш в а без вра ще н и я из тороидальных баков является о бес­ п е ч е i ! ; I е р а в н о м е р н о го опуск а н и я уровн я компонента топлива в баке. С этой це:1 ыо целесоо бразно при менять устройство дл я з а бора компонента из ба ка в в и :: е ко.�ьцевого желоба. На рис. 8. 1 6 показава принципиальн а я схема торо1 1 .1 а .1 ы ю г о бака с вариа нтом устройства подобного типа. К нижней части ба к а 1 rер�1ешчно кре n и т с я желоб 2 с отверсти ями 4. З а бор ком понента топлива из ж с 1 о G а осущест в.1 яется через трубопровод 3. Устройство для забора компонента r < J !I cl " iЗ a до.1 ж н о быть в ы по.1 н с н о так, ч тобы обеспечивалось равномерное опуска­ н и е у ро в н я компонента топлива в базе в процессе слив а . Последнее достигается п уте�r соответствующего в ы бора геометрии устройства для з а бора ком понента т о n .1 н з а н закона распределения отверсти й по его длине. В ндно, ч т о в с .1 сдствис протока с т р у й 1ю м п о н е н т а т о п .1 и в а через отверстия в в е р х н е й стенке желоба поток компонента топлива в нем движется с увеличи­ в а ющюtся вдоль п ути расходом . Действительно, в сечении G - 0 , диаметрально p a c n o 1оженном сечен и ю В-В ( место слива компонента топлива из емкости ) , с1щрость ком понента топлива в желобе пра ктически близка к нулю. По мере n р и б.1 н жени я к сечению В-В скорость увеличивается за счет п ритока струй че­ рез отверстия 4 и д о с т и г а е т м а ксим ального з н а чения в сечении В-В, где проис­ х о :н п сл и я н и е по� оков компонента топлива из левой и пра вой частей желоба. В сле.�ствие сим метрии можно рассма тривать одн у половину желоба, м а ксималь­ ный р асход в которой (сечение В-В) будет равен половине сумм а рного расхо­ ; ц J 1 ! 3 ТОПЛИВНОГО бака. Ветрудно в идеть, что движение в желобе является частн ы м случаем более общего н еуста н овившегося движен и я с переменной м а ссой. Б ра боте [56] приведено дифференциальное уравнение уста новившегося дви­ ж е н и я потока компонента топлива с изменением расхода вдоль пути :

бa l\rJ J ,

dp а0 g wd w -t- ---:y + d z - i Jd х +

a. 0 ( w - 6 r ) w w2 gda.0 + g

+ _a. _,o'-'( 62 w) w '-'=--_-''-­

Здесь

Q+ dQ 1

g

а ·, -

(8 . 1 )

коэффициент, учитывающий неравномерность распределени я ско­ сечению потока ; g - ускорение свободного п адени я ; w - сред· Шi Я скорость потока ; р - r. и дро· д и н а ч н ческое да в.1 е н и е ; у - п.l от­ н ос т ;, K O �I II O H C H T a Т О П .1 И В а ; Z рости по ж и вом у

r с о :-н : т р пчесю i ii н а пор ; ij - г и д р а в ­ Л И '!ес к п f! ук.1он ; х - тек у ща я ко·

о рдшо а т а ; 81

!!

8z

-

проеКЦИ I!

C I( O ·

р о с т н д в и же н и я п р и соед п н я е :vю \1 1 1

0Тде.1 Я е �Ю Й

:\! аСС К О У! П О Н С Н Т а Т О П · н а ось по т ока ; Q t 1 1 Qz ОТДе.1Яе�! Ы Й n р н сос;t п н я е :-.I ы li н :ш в а

Рис. � . 1 6. П р и н ц и п и ал ь н а я с х е м а торо11дал ьноrо бака с кол ьцевым желобо м :

и - П С Р с' \l е Н Н О Г О Сl' Ч t' Н И Я : (J - П О С Т О Я I I · I I O Г O C ..:' Ч l' I I H Я : / - (i 1 1.- . 2 - ЖC.1 0 fi . :1 \ 1 1 ) U о n р о вод.: -l - о т н �.· р с п t с

al

li) 1 23

-

..

расходы юнш о не п т а топ.1 1 1 в а ; Q = Q н a ч + Q t - Q2 тсi<ущсс значеп пс ;1 J C i < Ц ii I<mшонента топ.1 п в а ( Q н a •I - начальн ы й расход ) . В обще:�� случае величина коэффициента an может измен яться от c c :J l' I I И Я к сечен ию вдоль оси потоi<а . Однако оп ределить з а i<он изменения а 0 о б ы а • ю н е п редста вляется воз:�� о ж н ы м . В р а боте [26] показано, что коэффициент ?. 1 нз VIе­ н яется незначительно, и можно прин ять, что a0 = const. Тогда для рассматриваемого случ а я уста новившегася движен и я с п р н сое;J.Инением расхода вдоль п ути можно з а писать: d

(-- ) a 0 w2 2g

·

dn (w - 6) w dQ dp + -- + dz + i 1dx + Q g 'V

= 0.

(8.2)

�'ра внение (8.2) по внешнему виду н а поминает уравнение Берну.1.: п ДjJ Я потока постоянной м ассы и отличается от него членом ao (w ...__ O)w dQ g Q

(

Перепишем уравнение (8.2) в виде u0 Q2 dр а 0В - d - + - + d z + i 1dx - - dQ = 0 . <» gw 'V g<»

-

}

(8 . 3)

Здесь
-

где Q 0 - расход в сече п н и В - В желоба ; 1 - длина рассматриваемого у частк а желоба м ежду сечениями 0-0 и В-В по средней .1инии. Расход в рроизвольном сечении желоба х запи шется в виде (8 . б) = q0x .

Q

Подставив в ы ражения (8.4) и (8.6) в уравнение (8.3) и п р и н я в dz = \J желоба ра � положена горизонтальн о ) , получим

aoq 6 ( ) gw

.х2

dp

-d - +- + <»

у

лq g --1 8gR.ы2

.x2d.x -

a06 q 0 --gы

dx = 0 .

Интегр ир у я в ы р а ж ение (8.7) , н а х о д ю з а кон нз�1сненн я давлен и я по длине ж е .1 о б а

1 24

( ось

( 8 . 7)

п ь е з о �! сТр i ! ' J С с к о г о

Р

о·- Р v

(� . 8)

-· = f (x) ,

где Ри - да вл е н и е в н а ч а .1 ы ю м сече н и и же.1 о б а 0-0 , п р а ктиЧ еские р а в н о е д а в ­ лен и ю в ба ке, а р - д а вл е н и е в тек ущем сечен и и желоба х. И с п о л ь з у я з а в н е и м асть ( 8 .8 ) , о п редел яе�1 з а кон р а с п р еде.1 е н и я отве р с т и , i по дт ш е ж ел о б а , п р н котором обеспечива ется р а в н о м е р н о е о п ус к а н и е ко�r n о н е н та топл и в а в ба ке . Дл я этой цел и используем из вестное ура в н е н и е р а с х ода ,,; н ;щ о ­ сти ч е р е з отверстие :

Qorв

=

-.

/

v

!L"'o rв

2g

Р

оV

Р

(8 . 9}

где �t - коэффициент ра сход а ч е рез отверсти е ; Ю о т в - площадь отверсти я . При р а в н о м ерном о п уска н и и у ро в н я ком понента то п л и в а в торшца.l Ьi Ю М б а ке р а сход через отверсти я , п ри ходящи йся н а еди н и ц у д л и н ы ж ел о б а , п р и �rем р а в н ы м q0 • Тогда вели ч и н а дл я оп редел е н и я р асхода через отверсти я , n р и х о.1 я ­ щиеся н а еди н и ц у длины же.ю б а , з а пишется т а к :

где

"'�тв -

, -.V/

qo = f-'."'отн

2g

Pn

--

V

Р

( 8 . 1 0}

nлощадь отверстий н а еди н и ц у дл и н ы жело ба.

1 Iз в ы р а жения ( 8 . 1 0 ) и меем

qo

,

: ==::: = "'о 1 в = IL ---;;::::::: Ро

v2g

/L

-;

(8 . 1 1 }

о

Используя в ы р а ж е н и е ( 8 . 1 1 ) , можно о п р еделить з а к о н р а с п ределен и я оп�ер­ с т и ll п о дл и н е жел о б а , п р и к о т о р о м обес п е ч и в а етс я р а в номерное опуска н н е ;ю м ­ п о н е н т а топ,1 и в а в баке. И с п о.1 ь з у я з а В I I с н мостil ( 8 . 1 0 ) и ( 8 . 1 1 ) , можно п р о и з в естн в ы б о р о с н о в н ы х п а р а м етров устройства дл я з а борных устройств тороида л ь н ы х б а к о в . Н и ж е р а ссмотрен ы п ри м е р ы р а с чета осн о в н ы х п а р а м етров некото р ы х в о з ­ �юж н ы х в а р и а н тов подо б н ы х устро й с т в . Кольцевой ж е л о б п о с т о я н н о г о с е ч е н и я . Н а р и с . 8. 1 6, б п р и веде н а п р н н u н п и ­ а,'l ьн а я схем а тороидальн ого б а к а с кольце в ы м жел о бо м посто янно го сечен и я . П р и ю = const у р а в н е н и е ( 8 . 7 ) реша ется достаточно просто. При решении у р а в ­ н е н и я ( 8 . 7 ) б удем у ч и т ы в ать и з м е н е н и е коэффициента гид р а в л и ческого трен и я п о дл и н е желоба х. Поскольку жел о б можно о тнести к т р у б а м с условно гладки­ ми сте н к а м н , то д.� я о п р еде.1ею1 я Л воспользуе м с я ф о р м у.1 о й Блазиуса [32] :

Re

- � Re ' 0 , 3 1 64

л - --- ·

(8 . 1 2)

__:!Q_ = 4qox ,

(8 . 1 3 )

•

=

Пv

Пv

где П - п е р и м е т р жело б а ; v - к и н е м а ти ч еска я в язкость ж идкости. Ф о р м ул а ( 8 . 1 2 ) с п р а ведл и в а д.�я ч исел Р е й н ольдса ЗOOO :s;;; Re :o;;;; 1 00 С учето м ( 8 . 1 3 ) в ы р а ж е н и е ( 8 . 1 2 ) п е р е п н шется в виде

0 , 3 [ 64

il4qu Пv

И н тегри р у я

0 = 0, ПО.'1 }' 1Ш М

у р а внение

(8.7)

с

учето�I

( ::1 . 1 4)

х

в ы ражения

000.

(8. 1 4 )

п р и yc,l o iш H . ч то

1 25

(

Ро у р

)

о �о

(

i, q ---х + 2u.0 2g 2 ll

6x2

=

w

R

)

•

(8 . 1 5)

В ы ра жение (8. 1 5 ) характеризует изменение пьезометрического дав.1ения по же.1оба постоянного сечения п р и условии равномерного оп уска н и я уровня JШ�! ПО!J ента топлива в тороидальном баке и в случае присоединения струек то;;, ш в а под п р я м ы м углом к н а п р а влению оси основного потока (8 = 0 ) . Пред­ по � u , .ение. что 8 = 0 вподне допустим о дд я ряда случаев течени я компонента топ.ш в а . н а п р и м ер, через отверсти я, п росверденные в достаточно тодстой стенке и m r с f! и бженные нормадьн ы м и к оси п отока насадка м и . ! I н тегрируя уравнение ( 8 . 7 ) д л я случая 8 = w, получим д. I Н Н (

(

)& = w -

q 2x 2

- --

у Р Ро -

2gw2 о

(

-I I/,R

х

+

а

0

)·

(8 . 1 6)

П редположение, что О = w, возможно, в частности, п р и поступлении компо­ топлива в желоб через отверстие в весы1 а тонкой стенке. В ы р а жение (8. 1 6 ) не учиты вает явлен ий, соп ровождающих изменение м ассы КО)! П онента топлива вдоль оси потока. Оно отличается от выражения (8. 1 5 ) ко­ эфф•щ нентом п р и втором члене в скобках, который имеет вдвое меньшее з н а ­ н е н т :'

чение.

Подста вл я я выра жение (8. 1 5 ) в уравнение (8. 1 1 ) , пшiучим

l

�

w тв а = О

=

w :: =====­ -----;;:= fLX

v

х+ 1 1/..R

2 u.o

(8 . 1 7)

У р а внение (8. 1 7) определяет закон изменени я площади отверстий, п риходя­ щихся н а единицу дли н ы желоба постоянного сечения, п ри усnовии 8 = 0. Д л я случая, когда O = w, подучи м :

�

!

w .. в rt = W

Ji

(J)

:

-----=

fLX

r

R

x

+

(8 . 1 8)

ao

С р яде сл учаев, когда отверсти я в желобе имеют постоянный диаметр d0 соот ветственно постоянную площадь wo = :rtdo2/4, удобнее пользоваться выра­ ж е н ! ! Я )!I! дл я числа отверстий, п риходящихся на единицу длин ы желоба п;" .. = "'� 1 1, /w0 , которые легко получить из уравнений (8. 1 7) и (8. 1 8 ) соответстве н н о : и

(8 . 1 9 )

( п�.. в )

О= w

=

: ====:-1:-:::== ..---; V 1 1/..R х + а о

---

fL WoX

(J)

(8 . 20)

Д.1 я расчета параметров желоба необходимо знать ожидае м ы й сум м а р н ы й из бака Q c 1 ", днаметр средней шш ии желоба Dcp, а т а к ж е число трубо­ п ровО.1ОВ для слива топлива п , которое в общем случае м ожет быть и больши м един и ц ы . Tor.1a площадь п оперечного сечения желоба определится из выражения р а с ход

w=

1 26

--, 2n w0 QC)"'I

(8 . 2 1 )

Г, \ е

Шо :=::::

ж е .1 0 б а .

3 . . .

4

м /с - с1юрость Ж l ц кости

n

концевом у ч а стке р а с • 1е п ю г о

с.:

Jен и я

Из у р а в н е н и й (8. 1 5 ) и (8. 1 6 ) н а хо д и м з а ко н и з м е н ен и я пьезометр и ч е с i\ОГО д а в.1ен и я п о дл и н е р а с четного у ч астка же.1оба . По в ы р а ж е н и я м (8. 1 7 ) и .1 и ( 8. 1 8 ) о п ределяем р а с п реде.1 е н и е о тверсти й по д.1 и н е рас четного участка жело б J , о б ес ­ п е ч и в а ющее ра в н о м е р н о е о п уска н и е у р о в н я ком п о н е н та топли в а в б а ке. Н а рис. 8. 1 7 п р и веде н ы р а с ч е т н ы е к р и в ы е и з менен и я п ьезометри ческого д а в ­ .1 е н и я п о д.1 и н с ж с .ю б а т р а п е ц е и д а .1ыюго с е ч е н и я с п а р а :�� е т р а :�� и ю = 6. 1 с м z ; П = 1 2,5 с м ; R = 0,49 с м ; Dcp :=:::: 80 с м . К р и в а я 2 р а ссчита н а п о у р а в н ен и ю ( 8 . 1 5 ) д.1 я 8 = 0 ; к р и в а я 3 - по у р а в н е н и ю (8. 1 6) д.'I Я 8 = w . К р и в а я 4 п острое н а п о резул ьтата м экспер и м е н та . Из р и с у н к а видно, ч т о экспе р и ментальн а я к р и в а я 4 л е ж и т между теоретически м и кр и в ы м и 2 и 3, более п р и бл и ж а ясь к тео реш •; е с к о й к р и в о й Po -P i v = f ( x ) п р и 8 = 0 , построен ной п о у р а в н е н и ю (8. 1 5) . Т а к и м о б р а з о м , п р о веде и н ы е о п ы т ы п о к а з ы в а ю т, что у р авнение (8. 1 5 ) п ри 8 = 0 более п о л н о отвеч а е т р е а л ь н ы м усл о в и я м течени я жидкости , по ско.1;,ку в этом случае у ч и т ы в а ется эффект в л и я н и я переменной массы. Исходя из этого, р а с ч е т пьез о м етрического давлен и я в желобе, а соответственно, и закон а р а сп ре­ дел е н и я отверсти й п о его дли н е с.'lедует проводить по выражениям (8. 1 5 ) и ( 8 . 1 6 ) для 8 = 0. Н а р и с . 8. 1 7 п о ка з а н з а к о н и з м е н е н и я площади отверсти й , п р и ходящеii с я н а еди н и цу дли н ы желоба

�

оо т к ,

по его дл и н е , рассчита н н ы й

по

в ы р а ж е н и ю ( 8. 1 7)

дл я 8 = w . Из рисунка видно, что п р и x/l = O в сечен и и 0-0 жел о б а

оо� , .,

стрем и тс я к бесконечности. П о м е р е п р и бл и жен и я

сJJ и в а топл и в а и з жел о б а )

ве.1 и ч и н а

оо

�,8

к

сечен и ю

достато ч н о быстро

ве.ш ч и н а

В-В

( :-.1 есту

уменьшается . П р и

р а с • 1 е т а х п р и н и :�� алось, что а0 = 1 , 1 и коэффициент р а схода �-t = 0,70. П р и р а с чете п одо б н ы х в а р и а нтов желобов удобно пользоваться без р а зм е р ными

за висимостями

рис.

8. 1 8

0,75

и 0 , 85 ) .

д.'I Я

оо�тв l foo '"""" f (х/ l ) .

трех з н а ч е н и й

Данные

коэф фициента

з а в и с и м ости

р а схода

через

п р иведены

отверстие

на

( �t = 0,62 �

Устро й ство д л я з а б о р а ж идкости в виде кольцевого жело б а перемениого сечения Кольцевой желоб п е р е м е н иого сечен и я может быть выполнен р а з.ш ч н о й ф о р м ы . Ниже р а с с м а т р и в а ются д в а возможных в а р и а н та выполнения ко.1ьцевого желоба перемениого сечен и я . В а р и а н т 1 . Устр о й с т в о :1.1 я з а б о · р а ж идкости вьшо.1 н е н о в в и д е ж е.1 о б а перемен иого сечен и я , у которого площадь ro и гидрав.1 ич е с к и й р а д и у с R и з �1 е н я ют· 8 1-itt--t---+----�-cя по л и не й н о :�� у з акону:

о Рис. R. \ 7. Кривые 11з менею1я ве.ч и ч и н ы пьезометричес кого давле н и я желоба, приходящейся н а е д и н и ц у дл 11 н ы вдол ь потока ж и д кости:

npll 8 = 0

11

n.1 0 Щ O. .'J.II

8 = :.:•

1 - н з :о.t с н с ш 1 с

отверсти й ;

C O O T B C T C T B L' I I I I O ;

и пло щади r>т.ерстик

2, 3 - р а с ч е т н ы е з н а ч е н в я п ь е з о :-.. r е т р н ч с с к о г о · · 1юпа .J - П Ь С' З О :'о.1 С Т р 1 1 Ч <..' С I\ 1 1 Й Н Э П О]1 П О ,.J. З H I I Ы \1 Э Н: С Л С р 1 1 � 1 '-' ' • l а

Рис. 8. \ S. З а в и с и м ость безразмерной площади отверстий от относ11 те.1ьноi1 для раз.ч и ч н ы х з н а ч е н 11 й коэфф1щиента расхода l t

д.� и н ы

ж е .1 о б а

1 27

�

.� �� - -- - -- ---- � ::г �:

·

.

- - - - -

- - -

-Jв

·

- - -- - - - -

�

·

о

-

__;

- - - -

-

,___ _____l ______

а

8

,

_ --1

/_

___

] -

_

8

Р ис . � . 1 9 . Расчетная с х е м а устройства д.t я забора ж и д кости п р и и з м е н е н и и <•J 11 R по л иней­ ном у з а ко н у Р 11 с . -' .20. Р а с ч е т н а я с х е м а устройства дл я з а б о р а жидкости, в ы п ол н е н ного в в иде пол о в и н ы конуса

усеч е н ного

оо = а х + ь; R = с.х + d .

Т а к о ! ''

(8 . 22)

з а кон из�rенени я ы и R может быть п р и нят, н апример, с некоторым п р и ­ б.lижен нем дл я желоба, предста вляющего отрезок цилиндра диа:о.rетром d.J с п . 1 о щ а д я �ш w0 в сечении 0-0 и w1 в сечении В-В (рис. · 8. 1 9 ) . В этом случае

а= с=

00l - 00o

; lb = оо0;

Rt - Ro l

Пщста в л я я выражение (8.22 ) пол у ч н �r

; d = R0 •

в уравнение (8.7)

и

принимая,

что 6 = 0, (8 . 23)

.., aoq ij [ l п (ах Ь) - lп Ь Ь2 -+ (ах + Ь ) 2 , i. q ( {А ( -Ь- - 1) В [lп (ах b l Ь] + С [lп (сх + Ь

1 ! н тегрируя уравнение (8.23) при условии Л = const, nо.1учим выражение для н :-� м е ! : е н н я пьезом етрического да влен и я по длине желоба Ро - Р у

Ь,ц

Здесь

g

=

a t' +

A=

+

+

2

+ )- n

---ь

В=

d2 (bc - ad )

Ь (Ьс - 2 ad ) а'2 (Ьс - ad)2 ;

С=

d ) ; - I n d ] )J

---­ с (Ьс d2

ad)2

Подста вляя выражение (8.24 ) в уравнение (8. 1 1 ) , nолучим соответствующий з а к о н р аспределени я отверстий по длине желоба. В а р и а н т II. �·стройство дл я з а бора жидкости выполнено в виде поло­ вины усеченного конуса ( рис. 8.20 ) . Для данного вариа нта устройства можно з � ш ш: а ть с.� е д у ющне з а в и е н м ости д.1я о п р е д е.1 е н и я <•J и R: л;

оо = - ( tg a · x + r0)2; 2

1 28

R ==

2

;t

(2 + n)

( tg a · x + r0) .

(8 . 25)

---

Подста вл я я выра жен и я (8.25) в

aoq o2

:t

g 2 ( tg · Х + r0)2

+

а

d

[

у р а внение

xz

:t

2 (tg а: · х + r0 )2

Л q� x 2dx -8g -----1t

л;

( tg a · x + r0)4 2 ( 2 + n) 4

[

8 �o roq 6 1· 0 g:c2' tg2 a 4 (tg a · x + r0)4

Проинтегр ировав в ы р а жение (8.26) nри

Ро - р у

'

+

nол у чим (дл я 8 = 0) :

(8.7) ,

Лq � ( 2 + :t) [ - a 2· xr0+--g·:tЗ t g З u -- -4 ( tgr0)3 =

--"-

= о.

(tg a · x - r)

/, = co n s t , nолуч и м

1

3 (tg a · x + r0 ) 3

+

]

1 + 1 2rg

1

3 ( t g a · x + r0 ) 2

(8 . 26)

__ __

4 (1g · x + r0)4

1 + __ 1 2r�

]

•

(8.27)

Соответствующий з а кон расnределения отверстий по длине жедоба можна оnределить, nодста вляя в ы р а жение (8.27) в уравнение (8. 1 1 ) . Ус т ройство для з а б ора ж идкос т и в в иде двух ж е л о б ов п остоян ного сечения

у

-

у

2gw�

[ Il;н (l - х) + 2:.t o ] ,

(8 . 28)

где Р1 давление в сечении В-В верхнего желоб а ; l длина nоловнны желоба по средней линии. Перепад давления на nластине нижнего желоба най­ де м , в ы ч нтая Р. ы р ажение (8.28) н з уравнения в ида (8. 1 5) для верхнего желоба:

-­

Рв - Р н У

=

q2 [ 2

2gw; Ов

-

( I I Rв l + 2а0) /. в

Р и с . 8 .2 1 . П р и н ц н п н а.• ьная с х е м а топл ивного б а к а с дву­ м я кол ьцевы м и желоба м •t : 1, 3 - т р у б о n р о в од ы ; 2 - n л а с т и н а с о т в с р с т н я м н , 4-

п л а ст п н и

5- 1 7 1 8

в е р х н я я с о т в с р с т и я :ш r

1 29

(

2 х2 i. n q -х + 2 -L o + 2gw; 1 1 Re q;�н ( l -,x)? х) 0R

.

+

2gw�

[--Л (l -

)

1 1 Rн

+ 2 -.t o

]

(8 . 29)

.

В ура внении (8.29 ) и ндекс « В » относитс я к верхне�1у же.1обу, а «Н» - к ниж­ не�l у. Прин и м а я скорости в концевых сечениях же.1обов равны�I И между собой, :о.южно запи�:ать: v

�

12

--

=

v

�

12

--

=

v

�

12

--

qg"

?= --

(1)�

=

Подставл я я выражение ( 8 . 30 ) в (8.29 ) , получим 2

v1

Р в - Рн у

2gl2

[

Ав 1 1 Rв

( 1 3 - x.J ) +

Ан l i Rн

q �н

--.,-

(8 . 30)

(1)�

]

( 1 - х )З + 4ас1 ( l - х) .

(8 . 3 1 )

Выражение (8.3 1 ) характеризует изменение перепада давления м ежду верх­ ним и нижним желобам и при одновременном расходе жидкости из них. Макси· мальное значение перепада давления будет в сечении 0-0 п ри х = О:

( Рн - Рн ) У

_

х� О -

v

7

2g

(l 1 + 4:zo) I I Rн

•

( 8 . 32 )

Подста вл я я (8.3 1 ) в ( 8 . 1 \ ) , п олучим вы ражение для оп ределения площади отверсти й, приходящейся на единицу длины ни жнего желоба : '

00о rв.н =

----;==============::::;:====:11-н

�/

Ан Ан -- ( l 3 - х З) + -- l - х) 3 + 4з4 (1 - х) ( I I I Rв

(8 . 33)

I Rн

Необходи м о отметить, что коэффициент расхода отверстий нижнего желоба м ожет и м еть в этом случае нескодько иные значения, чем в в а р иа нте устрой­ ства с одни м желобом, поскольку здесь имеет место сложное истечение жидкости из движущегося в верхнем желобе потока через отверсти я в сносящий поток нижнего жедоба. J.l н

8. 3. П Р О Е КТ И Р О ВА Н И Е ЗА БО Р Н Ы Х УСТ Р О й СТ В Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В

При п роекти ровании заборных устройств необходи м о учиты в а ть кавитацию, неравномерное понижение уровня ком понента топлива и воронкообразование. Ворон ко гасители Д.1 я у ст р а н е н и я в н х р св о ii в ор о н к и п р и м ен я ют с я во р онкогасители. Н а рис. 8.3 п р едста в.1сны в а р и а н т ы в ы п о .1 Н е н и я за бор н ы х устройств с во р он ­ когасител н м и в виде радиальн ы х ребер и та ре.1 и , уста н ов .1е н н ы х н ад сливньш отверстие�! в дн ище топ.1ивного бака . Ка чество ребер �южет быть р аз.'lн чны�t (от 4 до 20) . Высота р а д н а.1 ь н о г о и концентри ческого р ебер 50 . . . 200 �l M , дл и ­ н а l = ( 1 ,7 . . . З,О) d"'Р·

Заборные устро й ства с тареля м и

В на стоящее вре:�! Я ш ироко используются заборные устройства с та релями. Основными пренм уществами з а борных устройств с та ре.1 я м н яв.1 я ются простота конструкщш ; м а.1 а я :�1 асс а ; м алые габаритные раз�1еры ; высок а я надежность. 1 30

Рис . 11 . 2 2 . П р инцип иа.• ь н а я устройства с тарель ю: а - цснтроuс ж н о с ;

схема

заборного

б - u o 1< o n o e

Тар ель выравнивает поля скоростей одновременно уменьшает величины скорости на подходе к з а борнику. Про­ филь таре.1 и выбирается таки�! образо м , чтобы обеспечить пл ав ное подж атие про­ ходных площадей в кана.1е за борного а) устройств а . З аборные устройства на нижнем дн ище тоП.l И В IЮГО бака могут быть центр альн ы м и ( р ис. 8 . 2 2 , а ) и.1и боко в ы м и (рис. 8.22, б) . Боковые заборные устройств а х а р актеризуются углом f3 , .зля центрального з а борного устройства угод 13 = 0. Д.1 я центрального и бокового з а борного устройства тарель до.'I ж н а р асполагаться гор изонтадьно, э т о уменьшает остатки незабор а, т а к как у забор­ ного устройства , уст а н ов.'Iенного в н а к.1онном положении, прорыв газа проис­ ходит нера вномерно по уровню. Применеине боковы х забор н ы х устройств с большими 13 при водит к существенному росту остатков незабор а . Т и рель представляет собой ка ноид в р а щения, диаметр тарели Dтар = ( 1 ,75 . . . 3,9 ) dтр. На рис. 8.3, г показ а н ы пр инципиальные конструктивные схе м ы тарелей сложной фор м ы , которые используются п р и боковом за боре топ­ .лива. В ысоту уста иов1ш т арели н а д днищем рекомендуется брать равной (1 7 - 2 1 ) d r p h . П.10щадь входа в з аборное устройство Fнх = 2, 1 Fтр, где и

=

1

=

Fтr -

1

4 D rp

площадь сечения рас ходного трубопровода. Радиус перехода от днища ба ка к сливному отверстию значительно снижае-r поте р и да в.1 ения вс.1Jе.1ствпе уменьшения или полного устранен и я сжатия потока в трубе. Р а д и у с нере�;ода влияет также на формиров а н ие потока в зоне заборно­ го устройства в момент, предшествующий прорыву газа. При скруглен и и входной диам етр расходной трубы увеличивается, а скорость притека н и я уменьшается, что п риводит к уменьшению критической в ысоты и гидравлических п отерь в заборном устройстве. Р адиус перехода от днища к сливному трубопровоДу рекомендуется прини­ м а ть Г nер = (0, 3 . . . 0,6) dтр. В н у тренний контур тарели необходимо в ыполнять из условия плавного изме­ нени я скорости жидкости по длине заборного устройства R= ( 1 ,4 . . . 1 ,6 ) dтр. В ыполнен ные в соответствии с эти м и рекомендац и я м и з а борные устройства с та­ рел я м и и меют коэффициент гидравлического сопротивления 6 = 0,35 . . . 0 , 5 . ·

Сильфонные за б ор н ые устро й ст в а

С ильфаи ные заборные устройства позвол яют организовать центральный з а бор даже при наличии в баке тоннельной трубы, ось которой совпадает с осью бака . Такие заборные устройства целесообразно использовать для пита н и я не­ скольких двигателей, так как п р и этом обеспечивается равномерное течение н а входе в за борное устройство . Д и а метр таре.ш D rar � 2dтr ; радиус з а круr.1ения трубопровода (сильфон а ) п р н н и м ается ( 1 ,6, . . . 3 , 2 ) d т р ; р а;щус перехода от та рели к сильфону (0. 1 5 ... ... 0,7) d т р ( р ис . 8.23) . В верхней ч асти отводного тру5опровода си.1ьфонного за бор ного уст­ ройства уст а н а в.1нвается rндрозатвор, котор ы й предста в.1яет собо й ста к а н с а ' 5*

ti)

Рис. 8.23. С х е м а ' стройства:

а - нор"альное;

с ильфон1юrо

6-

заборного

т о н н е л ь н о й т р у б о/\

131

Рис. 8.24. П р о ф и л ь бсспровальноrо заборного устройства

калиброва н н ы м отверстие) время р а боты д в игате.1я до по.1ноi1 выработки кш! Понен· та из бака д V = Vru p + Vc ., , где Vr a p - гара нтиров а н • ный з а п а с ко:-.ш онента в стакане, обсспечива ющш"r нор­ мальную р аботу сильфона; Vc , - объем ко�шонента, сливаемый пз стакана во врсыя р аботы гидрозатвора . Нетрудно видеть, что гара нтированный уровень ком п о нента Н * в гидро­ затворе должен быть больше Н"Р • при котором возможен п рорыв газа в м а гист­ раль через калиброванное отверстие, т. е. Н " > Ннр, где Ннр - рассчитывается по формуле (5.32 ) . .

За б ор н ые устро й ства с центра л ьным от б ором б ез таре л и

З а борные устройства подобного типа являются п ростыми. Основной труд­ ностью п роектирования таких з а борных устройств является п роектирование про­ точной ч а сти, обеспечивающей равномерное понижение уров н я компонента в баке. Равномерное понижение уровня компонента топлива в баке возможно в том случае, когда з а борное устройство выполнено так, что осев а я соста вляющая скорости вдоль линии тока, примыкающей к стенке за борного устройства, равна средней скорости с н и ж е н а я у р о в н я ком понента топлива в баке. В ра боте [3 1 ] приведсна методика п рофилиров а н и я вrрти кального за борного устройств а , распо­ ложенного в центре ниж него д н и щ J u il li <J . Дифференциальное уравнение для оп ределен и я п рофиля з аборного устройства и меет вид:

dг2

� + 2._ г

[1 -L ..V/1 (.!!.!dr !:... ) 2 ] [l,.!!.!dr !:... J\ з (!!.!!:.dr .. )] с2

+

:rt 2 nxr4

.

V2

( dh )4 dr

+

- 0,

(8 . 34)

где r - радиус п оперечного сечения з а борного устройства ; h - высота от уровня отсчета ; g - ускорение свободного паден и я ; с - константа Чези, кото р а я зависит от ч истоты обр а ботки поверхности заборного устройства ; \t• - объе м н ы й секунд­ ный расход ком понента топлива через за борное устроlrство ; :rt - 3, 1 4 1 ; n x - пе­ регрузк а . Решение уравнения (8.34) может быть получено численной а п п рокси м а цией. В ра боте [ 3 1 ] указывается, что такое за борное устройство о беспечивает ра вномерное понижение компонента топли в а в баке и его беска витационную ра­ боту (рис. 8.24) . Однако, рассчита н н а я п о этой методике дли н а переходиого участка от днища бака к трубопроводу может оказаться неприемлемой по кон­ структивным соображениям (довольно большой ) . В этих случаях дл я обеспече­ ния приемлемой конструктивной ком поновки з а борное устройство можно укоро­ тить. Необходимо отметить, что спрофилирован ное по линиям тока заборное устройство также позволяет пра ктически полностью выра батывать компонент топлива из оа к а . 8 . 4 . Р А С Ч ЕТ О СТАТ К О В Н ЕЗ А Б О Р А КОМ П О Н Е Н Т О В Т О П Л И ВА

При расчете з а п асов топл и в а , необход и м ы х для обеспечени я м а ксимальной дальности подета, необходи мо учитывать остатки незабора компонентов топлива в баках, т. е. то ко.ш чество топлива, которое не может быть использовано для ра боты ЖРД. 1 32

Рис. 8.25. Расчетная с х е м а построения профиля воронки в цил индр11ческом топливном б а к е централ ь н ы м отборо м :

с

а - с т а релыо;

б - без

та р с л 11

Одна часть компонентов топлива в момент отключени я двигательной уста­ новки на ходится в топливных баках, а другая - в топливных м а гистралях, на ­ сосах и система х охлажден и я ЖР Д . Величина остатков неза бора определ яется, с одной стороны, внутрИ баковыми процесса ми и, с друг о й, - геометрически м и х а р а ктеристика м и топливных магист­ ралей, схемой и порядком отключения ЖР Д и особенностями его агрегатов ( н а пр и мер, а н тикавитационными свойствами н асосов ) . Рассмотрим ту ч асть остатков нез а бора, которая остается в топJJивных баках в момент выключения двигателя. Топливные баки предста вляют собой резервуары цилиндрической формы ( или близкие к ней ) , подкрепленные силовым на бором . Опорожнение топливных баков сопровожда ется пониженнем уровня жидкости в н и х и образованием жид­ кой пленки на вн утре�них поверхностях. Друга я часть компонентов топлива не вырабатываете� из бака вследствие образова н и я воронок над сли в н ы м и трубопроводам и . При этом происходит гази­ ров а н и е компонентов топлива из-за персмешивания его с рабочим телом н адду в а и прорыва отдел ьных пузы рьков газа в топливную м а гистраль до опорожнени я б а к а , что вызывает, с одной стороны, с р ы в норм альной р а боты системы питания двигателя, с другой - увеличение остатков незабора. Гидравлически выгодной формой бака явл яется выполнение его днища кони­ ческой формы, с обеспечением постоянного гидравлического уклон а для подте­ к а н и я жидкости к сливному отверстию. Это установлено испыта н и я м и н а м оде­ лях ба ков диаметром 300 мм при колеба ниях бака с различной частотой, а также подтверждается данными р а боты [34] . При выполнении нижнего днища топлив­ ного бака с углом ра створа а = 30° высота бака изменяется незначительно. При та ко�r выполнении днища происходит пра ктически пол н ы й забор компонента топл и в а из бака. На рис. 8.2 5 , б предста влено з а борное устройство с I<анически м переходом от сферн
-

. • .

Кольцев ые за б орные устро й ства

Такие з а борные устршkтва используются в тороидальных баках, в топлив­ ных баках с утопленньщ днищем, а та кже в цилиндрических баках с вогнутым днищем с многоточечньш отбором ком понента топлива. Кольцевое з а борное устройство должно быть сп роектировано так, чтобы о беспечивалось равномерное опускание уров н я компонента топлива в п роцессе сшша. Над желобом уста н а вливается псрфориро в а н н а я диафрагма. Р а вномерное

1 33

оnуска ние уровня достигается n утем выбора геометрии устройства дл я з а бора ко�шонента тоnлива и закона расп ределения отверстий по его длине. Методика проектирова н и я кольцевых заборных устройств п риведена в гл. 8. Остатки комnо нента то n лива н а стен ках баков

К

неислользуе:>.� ы м оста тка �! компонента топлива кроме остатков в баке из-за прорыва газа в сливной трубопровод, остатков в застойных зонах следует отнести оста тки на стенках 1 1 элемента х а р�1 атуры в баке. Остатки компонентов на стен ках состо ят из остатков н а п р одольном сило­ вом н а боре и стен ках бака и поnеречном сливном на боте ( ш п а н гоутах ) l1 Ус т = = ..\ Vлp+ l1 У п о nе р . Остатки ком понентов на n родольном силовом н а боре рассчи­ т ы в а ются по фор�1 уле где

.:l Vп р = о 1 1 р

ll л p -

(So

+

S

.

p) ,

с редн я я толщина пленки ком понента на n родольном силовом н а боре; S u . Sпр - смачиваемая боковая nоверхность бака и n родольного силового набора. Остатки компонентов н а поперечном силовом н а боре рассчитываются по формуле где

.:l Vво11е р = o"o"e pS"oa e p '

ll п о пе р -

Sп o n e p -

средн я я толщина пленки компонента на nоперечном силовом на боре; смачиваем а я боковая nоверхность nоперечного силового н а бора. Остатки неза б ора цилиндрических баков

Для определения расчетной величины остатка незабора необходимо знать критическую в ысоту Н"р и nрофиль воронки. Н а величину остатка незабора топлива из бака оказывает влияние форма топ.rншного бака ( цилиндрическая, тороидальна я, сферическ а я и д р . ) ; форма дни­ ща, с которого п роисходит забор жищюсти (эллипсоидная, сферическа я, кониче­ ска я и т. п . ) ; м есто отбора (центральный или нецентральный отбор) ; сnособ, nрю1ен яемы й дл я исключен ия образов а н и я вихревой воронки над сли вным тру­ бопроводом (ребра в виде крестовин, та рель и др.) ; секундный р асход компонен­ та топлива из бака ; физические свойства компонентов тоnлива. Центральны й от б ор

При и нженерных расчета х форма поверхности компонента тоnлива в цилинд· рическом баке с центральны м отбором комnонента топлива может быть опреде· лена следующим образо м . По формуле (5.32) или (5.33) вычисляется высота критическо го уровня ж ндкостн в б а ке. От входной кромки тарел"! забор ного уст­ ройства (точка А на рис. 8.25) откладывается отрезок A B = H,.r и в точке В про­ водится n р я м а я, п а р алJiельная оси бака и на этой прямой отклады вается отрезок ВС = Н" Р · Точки А " , С и D соедш1яются nлавной кривоii, причем отрезок CD nредставляет собой линию, nерпендикуляр ную оси бака (в полете, nерnендику­ лярную линии действня тяги двнгателя ) . Из рис. 8.25 видно, что для цилиндрических баков со сферическ и м днищем д.'I Я определени я величины остатка незабора можно з а п исать

h=dт [HI>p dr

л;

3

il Vo c ·r = -

+

h2 ( 3Rсф - h) - il Vвop •

( ) - ( _I

R cФ'i _ -. / R cФ 2 ll c

V

d,

2

+

Н,.р )2] . d,

(8 . 35)

где � V в о р - объе�! воздушного конуса над з а борным устройством ; RсФ - р адиус сфе р ы днища . 134

Рис. 8.26. Расчетная схема дл я оп редел е н и я остатков незабора

О бъем воронки соста вляет примерно 1 2 % от количества жидкости, ос­ тающейся в топливном баке н а момент прорыва газа в с.1 ивную ма гистраль. Поэтом у величину остатка незабора можно рассчитывать по формуле • . •

( 8 . 36 ) В инженерных расчетах величина остатка незабора вычисляется по фор­ м ула м : для бака с плоски м днищем ( рис. 8.26, а )

IJ:"R�H

ддя бака со сферическим и эллиптическим днищем ( рис. 8.26, б, в)

к р� , 2 л:а. .:l Vo c r где а. � 0,98 - коэффициент, учитывающий объем воздушной воронки; Ч' - коэф­ фициент, равный отношению объема сферического сегмента высотой Нкр и р а ­ диуса R к о бъему цилиндра высотой Н к р и радиуса R б ; /3 = 1 - д л я сферических =

Ь2 а2

дlшщ; (3 = - - дл я эд.�ипти ческих днищ ( Ь и а - полуоси элдипса ) . Коэффициент Ч' вычисляется по форм ула м : для бака с о сферическим днище м :

R Ro

НRбкv

Нк р 1 2- ; \}/ = - -- - - --

Таблица

8.1

Ч исденньrе значения ко эффицие нта Ч'

h 1 R0

1

0 , 02 0 , 04 0 , 06 0 , 08 0,1 0, 12 0 , 14 0, 16

0 , 020 0 , 039 0 , 059 0 , 078 0 , 097 0 , 1 15 0 , 1 33 0 , 151 о , 1 69 0 , 1 87

О , 18 0 ,2

Rб

3

R!Rб

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ,1

1 ,2

0 , 022 0 , 043 0 , 065 0 , 086 о , 1 07 о , 1 27 0 , 1 47 0 , 1 67 0 , 1 87 0 , 207

0 , 024 0 , 047 0 ,071 0 , 094 0,117 о , 1 39 0 , 161 0 , 1 83 0 , 205 0 , 227

1.3

1,4

0 , 0:28 0 , 050 0 , 083 0 , 1 10 о , 1 37 0 , 1 63 о , 1 89 0 ,215 0 , 223 0 , 24 1 0 , 24 7 0 , 26 7

0 , 026 0 , 05 1 0 , 077 0 , 1 02 0 , 1 27 0 , 15 1 о , 1 75 0 , 1 99

1,5

1 .6

0 , 030 0 , 059 0 , 089 о, 1 18 0 , 1 47 о , 1 75 0 , 203 0 , 23 1 0 , 259 0 , 28 7

0 , 032 0 , 063 0 , 095 0 , 1 26 0 , 1 57 0 , 1 87 0 ,217 0 , 247 0 , 2 77

1,7

0 , 034 0 , 067 о ' )() 1 0 , 1 34 0 , 1 67 о , 1 99 0 , 23 1 0 , 263 0 , 295 о , :ю1 0 , 327

1 .8

0 , 036 0 , 07 1 0 , 1 07 0 , 1 4:2 0 , 1 77 0 ,2 1 1 0 , 245 0 , 279 0 ,3 13 0 , 3-1}

1,9

0 , 03$ о , ()7.3

0 , 1 13 о , 1 50

O , I S7

0 , 2:23

0 , 259 0 , 295 0 , 33 1

0 , 367 1 35

200

о

.II V,л

0,08

0,12

а)

u, t18

1, 2 75

Fr

о

0,306

1,226

б)

2,76

Fr

lJ Рис. 8 .27. Сравнение расчетных и э ксnери­ ментальных данных п о вел и ч и н е остатка незабора в тоnл и в н ы х б а к а х :

о

0,018

а - централ ь н ы й

отбор с т а релью над сл н в н ы м отверсти е м ; б - с и л ь фа и н ы е з а ­ бор н ы е устройст в а ; в - з а бо р н о е устройст­ во б е з т а р е л и с к о н и ч е с l\: и м n е р е ходом от д н и щ а б а к а к с л и в н о м у отверстию

0,152

6)

(_!!:___ Нк р _ _

дл я бака с эллипти ческим днищем : IJ?

=

.!!!._ а2

Ro

1_ 3

Ro

Н�Р R�

).

В табл. 8.2 приведены численные зна чения коэ ф фициента ЧГ. Для эллипти­ ческих днищ коэффициент Ч' берется п ри R = a. На рис. 8.27 представлено сравнение расчетны х и экспериментальны х данны х по в еличине остатка незабора дJI Я некоторых конструкций заборных устройств. Из рисунка видно, что расчетные данные удовлетворитеJiьно согласуются с экс­ перимента м и .

Б оково й от б ор В топливных бака х со смеще н н ы м заборным устройством и м еются зоны, из котор ы х компоненты топлива н е могут быть использов а н ы для р а боты двига­ тельной установки. Н а рис. 8.26, г приведен а расчетн а я схе м а построения профиля воронки в цилиндрическом баке со смещенным отбором . Из рисунка видно, что остаток незабора можно п р едставить следующи м :

(8 . 37 )

-

(8 . 38 )

где Ll Vза с т - объем застойной зон ы ; !::. V�ст объем компонента топлива, ос таю· щегося в баке на мо�1ент прорыва газа в сливной трубоп ровод; Ll V в о р - объем воронки; R - радиус бак а ; Н,.р - критическ а я высота , при которой происходит прорыв газа в сливную м а гистраль. Н а момент прорыва газа в сл ивную ма гистраль объем воронки составл яе1 примерно 1 . . . 1 ,5 % от количества жидкости, остающейся в баке, т. е. Ll Vв o p � O. Тогда дл я оп рсде.1ен н я вели чнны остатка незабора можно з а п исать .l V0c r = .l V3ac r + 2 лR2H к l' · (8 . 39)

1 36

Критическая высота уровня Н"Р определ яется по формуле (5.32 ) . Из выра· жени я (8.39 ) видно, что величина остатка незабора для баков со смещенн ым отбором за висит от двух составляющих AVaa c·r и AV� c ·t ' Для уменьшен и я вели· чины остатка незабора необходи мо при п роектировании уменьшить объем з а · с то й но й зоны и про ск тировать за борное у с т р о й ство так, чтобы Hhp бьт а м ин и ­ ма лыюй. Торои да л ьные б аки

Дл я тороидальных баков с кольцевым и заборными устройства ми величина остатка незабора � V о с т состоит из объема компонента топлива, равного объему желоба, и о бъем а ком понента топлива, остающегося над желобом н а момент nроры ва газа (8 . 40)

где � V ж е., о б а - объем желоб а ; k - поправочный коэффициент, равный ил и мень· ше единицы в зависимости от места прорыва газа ; Ь 1 - ширина nлоской части днища над желобом; Dcp - средний диа метр тороидального бака.

Гл ава

9

Н Е КОТО Р Ы Е З А Д А Ч И Г И Д Р ОД И Н А М И К И Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В

Дл я ул уч шения м ассовых х а р а ктеристи к систем п и т а н и я необ­ ходи мо в ы б и р ать опти м а л ь н ы е схе м ы и р а з м е р ы газовых и гид­ р а вл и ческих соеди нител ь н ы х т р а ктов. П робл е м а опти м и з а ции гид­ р а вл ически х т р а ктов приобретает первостепенное з н ачение дл я слож н ых ком поновок двигател ь н ых уст а новок с то пл и в н ы м и б а к а ­ м и , в кл юч а ющи м и систе м ы перел и в а и систе м ы с и н хрониз а ци и уровней ко м понентов топл и в а в б а к а х п а кетн ы х р а кет. П р и пол ете н а а ктивном участке тр аекто р и и всл едствие р а схода ком понентов то п л и в а из б а ков н а бл юдается смещение центр а м ассы р а кеты к хвостовой ч асти, что п р и водит к уменьшению з а п аса ее статиче­ ской устойч и вости . Улучшить центровоч ную х а р а ктеристиi<У р а ке­ ты можно посредство м р аздел ени я топлив ного отсека допол н ител ь­ ным д н и щем и уста новки систе м ы п ерел и в а . При проекти ров а н и и секционных топливных б а ков о б ычно о п р едел яют : объе м н и ж н е й и верхней ч а стей б а к а ; ди а м етр трубы и п р о цесс перел ив а ; м и ни­ м ал ь но допусти м ы й уровень жидкого компонента в нижнем отсеке бака. П р и п а кетной ком поновке топл и в н ы х б а ков ( с в я з к а то пливных б а ко в ) необ ходимо обеспечив ать си нхронное опус к а н и е уровней ком понентов топл и в а , т. е. однов р е м ен н а я в ы р а ботка ж идких ком­ понентов из всего п а кета р а кеты. В настоящей главе р а с с м а т р и в а ю т с я л и ш ь з а д а ч и , связ а н н ы е с в ы бором газовых н гидр авли ческих м а гистр алей, соеди няющих топл и в н ы е б а к и . 9.1 . Р А С Ч ЕТ П Р О Ц Е ССА П Е Р ЕЛ И ВА I( ОМ П О Н Е Н Т О В Т О П Л И ВА И З С Е I( Ц И О Н Н Ы Х Б А I( О В

П роцесс перел и п а 1ю м п о не н т о в т опл и ва

происходит постепен ное и з м е­ положен и я центр а м а ссы р а кеты вследствие и з р а сходо в а н и я IЮ l\шо нентов т о п .1 1 1 в а пз f> а ков. В одноступенч атых р а кетах и в п о ­ с.'l ед н н х с rупен я х м ногоступенч атых р а кет ц е н т r м а с с ы с м е щ а ет с я п r н этом к хвостовой ч асти , что п р и водит к уменьшению з а п ас а ст а т н ч е ско й у с т о й ч и в ос т и Н е кото рое в о з д е й с т в и е н а положение центр а м а сс ы в необхо­ ди м ы х сл уч а я х можно осуществить п утем р аздел е н и я п е р едш1 х б а Н а а Jп i ш н о м у ч а ст к е т р а е кт о р и и

невне

.

1 38

р и с . H. l . Схе м а двухсе кционного ст е м о й 11ерел и в а

тon�'I И B II o r o

бака

с

си­

ков на отсеки и устройства систе�1 ы п е р е • л и в а , обеспечива ющей р асход ком nонен­ тов и з верхних отсеков только пос.11е опо· ро жн ени я н ижн их. Н а р и с. 9 . 1 пока з а н а схем а б а к а , состоящего .и з двух отсеков или секций. Благода ря тому, что газов ые подуш ки отсеков сообщаются м ежду со· бой , в них устанавливается оди на ковое давление н аддува . С истем а перел и в а , состояща я и з тру­ бопр овода д и а м етром d и кл а·п ана К, долж н а обеспечить. 1 . Изм енение положен ия центра м а ссь1 во времени по зада нному закону. 2. Своевремен ное включен и е р асхода q и з верхнего отсека п р и установлении в нижне�I отсеке векоторого м и ни м ального уровня hm1n ( путем откр ытия кл а п а н а перелива К) . 3. Возможно боле е ста бильное положение этого уровня во вре­ мя дальней шего опорожнения б а к а . Исходя из этих требов а н и й , необходи мо п р и nроектированпи системы перелива выбир ать оптим ал ьное разделение объем а бака н а отсеки , размеры переливной трубы и р ассчитывать процесс пере­ .пива во времени. И з м е н е н ие во в ре м е н и коорди н аты цен тра м а сс ы ком п он ента топл и в а в се кц и он но м б аке

Дл я упрощения а н ализа будем процесс опорожнения бака во времени считать стацио н а р н ы м , т. е. примем , ч то расход ком понен ­ т а из бака постоянен Q = const и что посл е уста новления в нижнем отсеке уровня hmin этот уровень не изменяется. Постоянство р ас­ хода Q и уровня hm in. в сво ю очередь, означ а ет постоянство р асхо­ да ч ерез трубу перел и в а , т. е . q = const . Будем также считать, что площади сечений б а к а в верхнем ·и нижнем отсеках один а ковы и не изменяются по высоте F = const * . Р асчетн а я схем а б а к а , соот­ ветствующая этим предположени я м , пр иведена на рис. 9.2. Из прин ятых до пущен ий сл едует, ч то скорость опускания уров­ ня ж п дкости при р а сходе ко м п о нента н з одного отсеi<а посто я н н а Q

Wu = y = const, а м асса жидкости в баке изменяется во времени т по л и нейному з а кону.

М = Мо +

��1 t = M0 - pQt ,

� Бокова я поверхность бака, п рн�1 ыкающа я к нижнему днищу, как прави.тю, и м еет щшиндрн ческую форм у : верх н я я часть бака по услови я �! компоновки м о ­ же т б ы т ь выполнена суживающе!lс я в н а п р а в.1еннн к головной части ракеты.

1 39

Р 11с. !1. 2 . l) а с ч с т н а я с х е м а б А к а д л я о п ре д е л е н и я л u ж. (• J ш я Цt н т р а м а с с ы к о м о н t а то п л и в а

п сп

п о­

где р - пл отность жид кого ко м п о н ен ­ т а ; Мо - н а ч а л ьн ая :vr a c c a ком понента . Т а к к а к п р и нято с т а б и.1 ьное поло­ :ж е ш r е у р о в н я в н и ж н е м о т с е к е во вре­ :vr я о п о р ож н е н и я верхнего, то нз р а с­ с :.ют р е н и я и с кл ю ч и м жидкость, н а хо·

д я ш у ю с я н и ж е h,,tiв , а коо р лi н z т ы у ; ю в ­ не!"r в отсе к а х н коо р .1. и н а т у центра м ассы будем отс ч и т ы в а ть от hmitt . И з

р асс мотр е н ия можно также искл ю ч ить м а с су газа в газовой п одушке, ка к пре­ н ебрежим о м а лую по ср а в н е н н ю с м а с­ сой жидкого ко м понента. С учетом этих з а м е ч а н и й · обоз н а ­ ч и м : V0 = Fif0 - объем б а к а з а искл юч е н ие м газовой по­ душ ки п р едв а р ительного н а дду в а и объе м а жидкост и , соответст · вуiQщего уровню hm;n ; Vн = Fhп - объем нижнего отсе ка з а исклю­ чением объем а Fhm;n ; !1hy - пон ижение уров н я за вре м я т . Н азовем коэф фи циентом р аспредел е н и я о бъем а б а к а Е величи­ ну, показыва юшую, ка кую ч асть объем а Vo составл яет о бъем верхV0 - V н H0 - h н П ро цесс него отсека без газовой подушки s =

Vo

Но

•

опорож н е н и я б а к а состоит из двух этапов : д о и посл е откр ытия I<л а п а н а перел и в а . Р ассмотр и м вначале первый эта п . Путем неслож н ых выч и сле­ ний можно получить, что до откр ытия кл а п а н а перел и в а положение центр а м а ссы жидrюго ком понента о п р едел яется уравнением h 11 . " = 0,5 ( .Ч 0 - Ilhu) + s

H0!!.hy Н0 - t:. hy ----'­

(9. 1 )

П р о а н а.Jiизп руем в ы р ажение ( 9 . 1 ) . Для этого удобно ввести сле· дующие безр азмерные вел и ч и н ы : • h h ц. �t = � - относител ьная коорди н ата центр а м а ссы ; t' = - Но

относител ьное время ( тн - время

!J. h q !::. h y = -·- -

Но

пол ного опорожнения

'"

бака) ;

относительное опускание уров н я з а время т, причем,

очевидно, !1hy = t'-: В при нятых обоз н ачениях ур а внение (9. 1 ) примет вид -

-

'U

h11. м = 0,5 ( 1 - -r) f s --_ . 1 _ ,.

( 9 . 2)

Функци я (9.2) при значениях 0 < �:: < 0,5 и м еет м и н и м у м . Чтобы н а йти з н ачение т, при котор ом hц.м миним ально, прир авняем нулю про изводную 1 40

( 9 . 3)

отку да П одставл я я в ы р а ж е н и е ( 9. 3 ) в ( 9 . 2 ) , по.ТJ уч а ем /i ll,\I Ш . n = 0 , 5

J 1�:;

(2 - V 2:; ) .

(9 . 4)

П р и з н а че н и ях Е = О в ы р ажение ( 9.2) п р едставд яет со бой л и ­ ней н ую з а в и с и м ость п н а и :\1 е ньшее з н а ч ен и е Тzц.�, = О будет п р и ·т= 1 , т. е . в конце опорож н е н и я б а к а . П р и з н ачениях Е = 0,5 н а и ­ м е н ьшее з :1 а ч е н н с Тz,0, = 0,5 соответствует т= О, т . е . н а ч а.ТJу опорож­ нен и я б а к а . Н а н бо.'l ьшес з н а ч е н ие Тz ,Р, получается в кон це опо рож­ нен и я ниж него отсека, т . е. в м о м ент откр ыти я I<л а п а н а перел и в а

(9.5)

П одст а в д я я з н ачение ��ш в в ы р ажение ( 9 .2 ) , н а ходи м ( 9 . 6) h ц.:.onax = 1 - 0 ,5 ::: . Р ассмотр и м второй этап опорожнения б а к а , сопровожда ющийс н nерел ивам компонента из верхнего отсека. П ол ожение центр а м ас­ сы н а этом этапе о п и с ы в ается л ин е й н ы м ур авнением. Н а ч алу опо­ рожнения верхнего отсек а соответствуют время и координата цент­ ра м ассы, о п р едел я е м ы е в ы р ажениями ( 9.5) и (9. 6) . Концу опорожне н и я соответствуют Тнл = 1 и nц.м 1 -е. Для второго эта п а опорожнения б а к а можно з а писать (9. 7) h11.,1 = 1 ,5 - e --- 0,5:t-. Н а рис. 9 . 3 показ а н ы з а rsисимости Тzц.м ('t') дл я нескольких з н а ­ ч ен и й коэффи циентов р а спредедения объем а . Из гр а ф и ков видно, ч то н а и более небд а го п р иятно смещение центр а м ассы в едуч а е оди н а р ного б а к а п р и Е = О. С увел и ч ением е центр м ассы посл е некоторого понижени я смещается вверх, а з а те м ( посл е открытия J(Л а п а н а перел и в а ) л и нейно по времени снижается. П ри е = 0,5 (объемы верхнего и н ижнего отсеков р ав н ы ) центр м ассы все в р е­ м я н аходи тся выше перво н а ч ального положения. И, н а конец, п р и 0,5 < е < 1 центр м а ссы в н а ч а л е нескодь- _ ко п о в ы ш а ется, а з атем б ыстро опуска- hц . нг-----т---:----. ется. Т а к и м обр азо м , есл и сн ижение це нтр а м ассы нежелатед ьно, то должн ы быть в ы б р а н ы равные объем ы отсеков. Если же больший з а п а с статич еской устой ч и - 0,5 /lllliile;;;:::;::;;;;��----..:::� вости требуется в н а ч ал ь н ы й ил и в ко­ нечный период р а боты двигатедьной уста­ новки, то, соответственно, необходи мо =

Р и с . 9.3. З ав и с и мост ь коорд и н аты центр а м ассы вента топп и ва от времен и опорожнении б а к а

ко м по-

О

141

P > t c . •• . � . И з м е н е 1 1 и я у р о в н я отсе к е б а к а в о в р е м е н и

( ко м п о н е н т а )

( бол ьше в ы б и р ать ;е > О,5 с е к ) и 1 и е < О ,5 ( бол ьше с е к ) . В пос.1 е;ш е м с.1 у ч а е .

1

1

hтJ--� О

1

!кл

в

нижнс"

верхний от­ н и ж н и й от­ н еобх одюю

у ч и т ы в ать, что веледетвне �t а л ого к о ­ .1 н ч е с т в а ж ид к о с т и , остающейся в б а к е в кон це его опорожн е н н я , в.1 н я н п е н а с т а т и ч е с к у ю у с т о й ч и в о с т ь р а кеты сме­ щения центр а м а ссы вверх будет ср а в ­ н ительно небо.пьш и�t . З н а я жел ател ь н ы й за кон и з м енения по.1ожени я цент р а м а с с ы ж идкого ком­ понента топл и в а во врем е н и , :можн о подобр ать п одходящее з н а чение •Е ,. т . е. вы б р а ть соотношен ие :м ежду объ­ е м а м и верхнего и нижнего отсеков бак а.

Р асч е т ди а м е тр а труб ы и п роцесса п ере л и в а

П ри посто я н ном секундном р асходе компонента Q и постоянной по в ысоте площади сечения нижнего отсека б а к а Fн уровень жид­ кого компонента в этом отсеке до момента открытия кл а п а н а пере­ лива понижается по линейному закону. В дальнейшем возможно либо п остоянство уровня, либо изменение его в сторону возр аста­ ния или убывания ( сооrветственно кривые 2, 1 и 3 на рис. 9.4) . Опускание уровня h < hmln недопустимо, так к а к при этом возмо­ жен з ахват ж идкостью газа н аддув а . J{обиться посто янства уровня при нерегул ируемом кл а п а н е п е ­ р елива обычно не удается, поэтому необходимо выбрать ( р ассчи­ тать) такой ди а м етр трубы перел и в а d, при котором х а р а ктер из­ менения уровн я в нижнем отсеке ( кривая 1) был бы возможно бо­ лее близким к идеальному (кривая 2) . Очеви дно, можно з а писать (9. 8) F11d h = ( q - Q) d t . Р а сход ч ер ез трубу перел и в а q=w

�d2 -4- ,

(9. 9)

w - скорость ком понента в трубе перел и в а . З н ачение скорости w м о ж н о н а йти из ур авнения Бернулли , ко­ торое дд я уровней ж идкости в верхнем и нижнем отсеках и м еет следующи й вид: Р Р w2 - + H nx = - + lznx + � - , ( 9 . 10) 2g у у

где

где Н, h - уровни жидкости в верхнем и н и ж н е м отсе к а х , соответ­ ственно, р - давление н аддув а ; fl x - осев а я перегруз к а р а ке т ы ; 1 42

� - сум м а р н ы й коэф фициент гидр авлического сопротивд енпя, п р и ­ веден ный к сечению трубы перешш а , � = �вх + � ' Р + �кд + �вых • З н ачения �вх и �вых м огут быть п р и н ят ы р а в н ы м и 0,5 и 1 ,0 со­ ответственно; вешi ч и н а ;н:� з а висит от конструкци и кд а п а н а и опре­ дед яется экспер и м ентад ьно ; коэффициент гидр авлического сопро­ тивл е н и я , обусдовленного трением в трубе перел ив а , выч исл я ется по обыч ной фор м у.'l е гидр авл и к и

d l

� , р = '··, р - ' rде коэфф и циент трени я Атр дл я гд ад1ш х труб явдяется функцией числ а Рейнол ьдса . Из (9. 1 О) ед едует W=

��

�

2. nx ( Н - h ) .

[ :J14d2 V/ 2gnx

(9. 1 1 )

Подставив (9.9) в (9.8) с учетом ( 9. 1 1 ) , з а пи шем

d1J =

dh

1

С

(Н - h )

-Q ]-' . Fн

( 9 . 1 2)

И нтегрирование уравнения (9. 1 2 ) с целью определения зави­ симости h (т ) представл яет о п р еделенные трудности, так как пере-' г руз к а р а кеты явл яется фун кцией времени nх (т) , з адав аемой гра­ фически, а значения Н и h з ависят н е тол ько от соотношения м еж­ ду р асход а м и q и Q, но и от конфигур ации б ака . Дд я решения уравнения (9. 1 2 ) можно восподьзоваться методом nосл едовательных п р и бл ижен и й . З а мети м , что в м о м ент откр ытия кл а п а н а перел и в а т = Тнл согд асно рис. 9. 1 :>- О , ч то оз н а ч ает q � Q .

[d h (т) ,J

[d hdТJ(т) J

't кл

Метод посд едоватед ь н ы х п р и ближений з а кд юч ается в том, что д и а м етр трубы перел и в а в ы ч и сл яется в н а ч а л е в п р едподож е н и и = О. d-c

't к ,1

Испот,зуя ( 9. 1 2 ) и п р и ни м а я во в н и м а ние, что в м о м ент откр ы ­ т и я кл а п а н а з н а ч е н и я пер егрузки nx ( "Lщi ) п п е р е п а д а уровней H-h = Ho известны, з а пи ш е м nd2

4

f V

1

2gnx С

Н -Q · о-

·

(9. 1 3 )

Т а к к а к вед и ч и н а � с а м а з а висит от d, то з н ачение ди а м ет р а трубы пер е д и в а м о ж н о н а йти граф ически - к а к а б сциссу точки лересечения кривых, изобража ющих зависи мости фун к ций

JТ,d4Q2 V'2gnxHo

и

УС

от t/ ,

1 43

Н а йдя ди а м етр трубы перел и в а в первом приближении , можно пристУ'пить к определению зависим ости h (-r) п р и этом ди а :-.1 етр е . Дл я этого в уравнении (9. 1 2 ) перейдем о т бесконечно м ал ы х dh . d-r к м ал ы м , но конечным вел и ч и н а м !J.h, !J.-r. Кроме того, будем по­ л агать � = const и h = hmin = con st . Эти допуще н и я , очевидно, прием ­ .,, емы, так к а к скорость в трубе перел и в а не должна сильно изме­ няться, а допусти м ы е изменения уровня в нижнем отсеке пренеб­ р ежимо м ал ы по сравнению с пол н ы м переп адом уровней . Р асчетной формулой дл я определ ения blz (-r) шение t::.. h

_

i,i+l -

явл яется соотно­

С; + С; н 2

(9. 14)

где С, = А V.nx (t1) [H (t;) - hm1 n ] - В . Jtd2

v·

2g

Q

-- ; В = - . З десь Н = -Рн 4Рн 1; З н ачею1 я nx (-r ) в н а ч ал е и в конце промежутка времени !J.'ti,i+I берут из гр аф и к а перегруз ки . З н ачение Н (т ) определ яется по объ­ ему верхнего отсека, опорож няемому з а это врем я : Jt d2

t::.. V l. , l· +1 = q l·At' l· t l· +1 = 4

v -n 2g с

.х

<• l·) Н ( tl· ) .:lt'l· , !.· + 1 =

= ( Q + С , Fн ) .:lt;,; + 1 и графику з ависи мости V ( Н ) , известному п р и выбранной конфи гу­ р а ции верхнего отсе к а . Есл и в р езульт'ате р асчета о кажется, ч т о уровень в н и ж н е м от­ секе в I<а кой -то период процесса перел и в а пониж ается до вел и ч и ­ ны, меньшей hmin, то припятый и з условия (9. 1 3 ) ди а м етр трубы перел и в а необходи мо увеличить. Есл и во все время перел и в а h > hmin, т о полученную зависимость h ( -r) сл едует уточ нить, произ­ ведя - а н алогич н ы й р а счет по выр ажению (9. 1 4 ) , но с учетом уров­ ня в нижнем б а ке, н а йденного в первом приближении, т. е . подстав­ ляя в выр ажение дл я Ci вм есто h min з н ачения уровн я h в соответ­ ствующие мом енты времени. О пред ел ение м и н и м ал ь но допу с ти мо г о уро в ня жидк ос ти в нижнем о т с еке б ака

П р и м и н и м альном уровне в нижнем отсеке ( п р и hmin) долж н а искл ю ч а ться возможность п о п ад а н и я г а з а н аддув а в ж идкость н е тол ько из-за воронкаобразов а н и я у з а борного устройств а , но и вследстви е н аличия струи жидкости, выходя щей и з переливной трубы. П р и низком уровне (при hmin) возмож но отр ажение этой струи от з а б о р ного устройств а и нижнего днища бака, а т а кже в о зможен выброс отраженной вол ны над поверхностью жидкости и захват ею газа наддув а . 144

2

Р ис. 9 . 5 . Расчетная с х е м а задач и об ус.1 о в и я х ис кл юч е н и я газирован и я ж и д кости незатоrы 1 е н н ы м у ч аст ком турбул ентной струи

Точны й учет условий, исключ аю­ щих газирование жидкости , для к а р т и н ы струйного дв ижения в б а ке предст авляет значительн ые т рудн ос­ ти по п р ичине м алой изучен ности з а конов отр ажения струй от поверх­ ностей. Р ассмотр им задачу об усло­ в иях исключения газирова ния дл я с лучая , когда турбулентная струя ж идкости поступ ает в ем кость не сверху, а со стор оны днища ( р ис. 9.5) . В та кой пост а н овке задача существенн о упрощается , так к а к п а р а метры струи в н а ч альн ом се­ чении 0-0 счита ютс я з адан н ы м и . П р и некоторых соотношениях м ежду п а р а м етр ам и струи ( wo, Ro) и в ысотой уров н я h прои сходи т выброс струи над поверхностью жидкости. П р едпол агается, что ec­ ll И пр и этом струя в сечени и 2-2 отр ывается от поверхности жид­ кости, то происходит ее газир ов ание. Н еобходи мо подч еркнуть, что при под а ч е жидкости снизу высо­ т а h, пр и которой происходит газиров ание, существенно больше, чем в интересующем нас случ ае перел и в а компонента топл и в а из верхнего отсека, одн а ко общие з а кономер ности будут, по-видимому, оди н а ковым и . П р и м е м , что ось струи н ад уровнем h искривлена по дуге ок­ ружности р адиуса r. Тогда можно з а п исать (9. 1 5) w 1 , w2 - скорости н а оси струи в сечениях 1 - 1 и 2-2. В кач естве второго и с ходного ур авнения з а пишем р а венство сил ( ил и ускорени й ) , действующих на ч астицы ж идкости, н аходя­ щиеся на оси струи в сеч ении 2-2, w 2 r = gnx или

где

(9. 1 6 ) П одст авив з н ачение получи м

скорости из выражений

wi --

2gnx

=

3

-

2

Г.

(9. 1 6 ) и ( 9. 1 5) ,

( 9. 1 7 )

П р и м е м , что газирования не будет п р и условии r � R2• Кр о м е того, п р и н и м а я во в н и м а ни е м алое р асстояние м ежду сечениями 1-1 и 2-2, будем считать попереч н ы е р аз м е р ы струи в этих сече­ ниях один а ковыми , т . е. R2 = R 1 • Учитыв а я эти з амечания и исполь-

1 45

з у я ( 9. 1 8 ) , в ид е :

уеловне исключения газпропа п и н з а п и шем в следующем (9. 1 8)

Дл я пер ехода от п а р а метров струп в сеч ении 1-1 !{ п а р а мет­ р а м в сечении 0-0 воспол ьзуемся соо1 но ш ени я м и для основного участка осес и м :и етр и ч ной стр у и , из вест н ы �ш и з теор и и тур буде нт­ н ы х с труй [ 1 ] : W(

Wo

96 --- 0 , -----'-

h -a-0+ 0 , 29 R

( 9. 1 9)

...&. 3 4 a h + О 29 (9. 2 0) Ro ' Ro ' ' где Ш а , R o - скорость и р адиус стр уи в нач аJiьном сечен и и ; а ­ Jюэффп циент, х а р а ктер изующи й угол р а сширения струи. П одставляя з н ачения w 1 , R 1 из в ы р ажени й (9. 1 9) и (9.20) в ус­ лов и е ( 9 . 1 8) , оконч ател ьно получ аем =

a h on l n

:> 0 ,45

(

)

v gn� - 0 , 29. x Ro 3 , --

(9. 2 1) Ro Н а рис. 9.6 поi<азан р ассчитанный по фор муле (9.2 1 ) г р а ф и к з ависим о сти миним ал ьного уровня h min , п р и котором еще н е про­ исходит газирования жидкости, от скорости w во входном сече­ н ии. З н ачение коэффициента а при р асчете приним алось р ав н ы м 0,076, что соответствует н а ч альной нер авномерности пол я скоро­ стей, о п р едел яемой как отношение осевой скорости к среднер а с­ ходно й : Wo/w o = 1 ,25 * . Н а этом ж е графике н а несены о пытные точ ки, полученные н а уста новке, п р едставл я юшей собой сосуд с подводящим трубопро­ водом и сл ивным отверстие м . Р адиус подводящей трубки был 2 м м , а р азмер сл ивного отверсти я и р а сход воды подбир ались так, чтобы уровень жидкости в процессе о п ы т а м едлено подним ался. П р и р а зных з н а чения х ср едн е р а с­ хо дной скорости Шо отм еч ал ись уровни в сосуде, соответствующие в изуальному п р е кр ащению гази­ р о в а н и я воды . Ка к видно из рис. 9 . 6, экспе­ р и м ентальные точки дост атоtп;о хорошо согл а суются с р а счетной зависи�юстью.

*

,,с

1 46

Р и с . 9 . 6 . З а в 11 с и м ость м и н и м ал ь н 0 1 о уровня, n р и кото р о м н е n р n ис х о д и т г а з и р о в а н и е во д ы , о т с ко р о с т 11 во в х о д н о м с е ч е н и и п р и R = 2 м м

З начение Wo/w0 дл я цилиндрической т р у б ы может б ы т ь на йдено по урав­ где у о п р едел яется из соотношени я Re = 0,576 (у- 1 ,5) л о r а р и ф м и ч е с ко�! профиае скоростей r 1 ] .

н е н и ю w ,fwo = Yfy- 1 ,5, nри

' 1

Из формул ы ( 9 .2 1 ) сл едует,

что м и н и м ал ь н а я

высота ур овн я

/z шi''' нсобходи � а я дл я искл ючсш1 я газиров а н и я жидкости , з а висит

от скорос rи и стеч е н и я Ж iцкосш из н асадка трубы перел и в а W o и р адиуса н асадка R 0 • В цел я х у м еньшен и я о п а с ности газирова ни я целесооб р а з но п р и м енять диф фузор н ы й Rасадок. Такой н асадок не то-1ько уменьшает скорость w o 1 1 увелич ивает р адиус Ro, н о и уси.п и в а ет неравномер ность поJI Я скоростей н а срезе, что приводи т к н а р аста нию угл а р асширения с rруи, х а р а ктер изуюшегося коэф ­ ф ициентом а ( ги д р авл ическое сопротивление н асадка доджно б ыть учтено пр и р асчете ди а м етр а трубы перед и в а ) . Скорость истечения и з н асадка при в ы б р а н н ы х его р азмерах и в ы б р а нном ди а м етре т рубы перед и в а пропорцион а.11ьна , как это ед едует из формул ы ( 9. 1 1 ) , ква д р атному кор н ю из произведени я перегрузки nx н а р а з ность уровней в отсеках H-h : 'ZVo :::::=

V nx (H - h ) .

П одставд н я это з н ачение w 0 в формул у (9.22 ) , можно видеть� что перегрузк а nx не оказывает вдияния на вел ичину уровня hmtn в б а ке, исключающую газирование. Из этой же формулы видно. что н а и более опасным м о м ентом с точ ки зрения газирования ж ид­ кости является н ач ало перел и в а из верхнего отсека, когда р аз­ ность уровней H-h м а ксимальн а . Отсутствие вли ян и я перегрузки н а величину h mtn дает возможность з а кл ючить, что если во время стендовых испытаний систем ы перелива н е было з а м ечено гази ро­ вания ж идкости , то газирование не м ожет произойти и во время летных испытаний. 9.2. РА СЧ ЕТ ЗАКОЛ ЬЦО В К И ТОПЛ И В Н Ы Х БА КОВ П Р И П А К ЕТ Н О R КОМ П О Н О В К Е РА К ЕТ

Систем а синхронизации уровней должна о беспечить одновре­ м енную выработку ком понентов топл и в а и з всех б а ков блшюв р а­ кеты. О б ычно к пакетной схеме р а кеты предъявляется требование вы­ пол нения з адач и даже в едуч ае нев ыхода н а р еж и м или выхода и з строя одного из р яда дви гателей двигательной установки . Так, н а ­ п р и м е р , н а р а кете- носител е « С а т урн - 1 8 » допускается продолжени е под ета п р и отказе двух дви г атед ей из вось м и ( и з них оди н управ­ л я ющи й ) . Отказ одного дви га тед я допуска ется сразу после ста р т а , второго через 6 0 с. П ри этом топд ивная систе м а автом атически перекл ю ч з ет подачу от н ер аботающих двигател ей к р а ботающим . Р а сси н х р онизация уровней в топливных б а к а х п р и п а кетной компо новке р а кет возникает в результате р азброса р асходов жид­ Ю I Х компо нентов топ л и в а из б а ков на дви гател и ; из-за ошибок п р и з а п р а в ке топд и в н ы х б а ков 1ш мпоне нт а м и топл и в а ; из -з а не­ точностп пзготов.1 е н и я топJшв н ы х баков ; из-з а р азбро с а х а р а кте­ р п стп к д в п г а т е -1 ь н ы х уста новок; из-за н евыхода на режим ИJIИ от­ к а з а в п р оцессе п о.1 ета ряда двшателей дви г а те.11ьной установки.

1 47

·

К р о м е го го, р а сси нхрониз а ция уровней ко м по н ентов топл и в а в б а к а х воз н и к а ет т а к ж е п р и упр а вл е н и и р а кстой с помощью р а з н о­

сти тяг дв и г а тел ь н ы х уста ново к . Дл я обес11ечешrя однов р ем ен ного опус к а н и я уров н е й ко м понен­ тов топл и в а м о гут быть испо.1 ьзова н ы следующие с х е м ы синхрони­ з а щ ш у р о в н е й компонентов топ.1 и в а в б а l\ а х ; без гидр авл ических с в я з е й м ежду б а l\ а м и ; с гидр ав.1 и чесrш м п связ я м и между б а к а м и ; с м е ш а н н ы е схе м ы . В с х е м а х синхронизации без гидрав.1 и ч еских с в я з е й конструк­ ти в н а я c x e 'V! a р а кеты сравните.1 ьно п роста вв иду отсутстви я трубо­ проводов, соеди няющР- х б а ки р а l\ет. В этом случ ае си нхрони з а ци ю уровней м ожно обеспечить путем форсир ов а н и я ил и дроссе.тш рова­ н и я двп г а тел ь н ы х уста новок отдел ь н ы х блоков. Ко м а нда н а дв и г а ­ тел п бл оl\ов поступает из систе м ы опорожнен и я и синхрониз а ци и уровней в топл ивных б а к а х . П р и этом и з - з а р а з ности тяг двигате­ лей отдел ь н ы х б.1оков на р а кету действуют возмущающие момен­ ты, т . е. появл яютс я допол н ительные возмуще н и я н а систе му уп­ р а вл ения. Одн а ко, по этой п р и ч и н е эта схем а синхронизации не может быть п р и м енена дл я р а кет, которые уп р а вл яются с помощью созда н и я р аз ности тяг н а двигател ях, ввиду того, ч то си гн а л ы, поступающие н а управление тягой двигателей блоков от схе м ы синхронизации и системы упр авления р а кеты, окажутся п ротиво­ полож н ы м и по з н а ку и будут искл юч ать друг друг а . Р а кета в этом с.1 уч а е окажется неупр авл яемой. Схемы синхронизапии с гидр авлически м и связями л ишены не­ достатков, п р и сущих схе м а м без гидр авлических связей. Одн а ко констр укти в н а я схе м а р а кеты п р и этом услож н я е гся из-за н а л и ч и я соеди нител ь н ы х трубопроводов м ежду б а к а м и . В ы р а в н и в а н и е у р о в н е й ко м понентов в баках м о ж н о осуществить двум я спосо б а ­ м и : а кт и в н ы м ( с помошью специ а л ь н ы х н асосов) и п ассивным ( nод действ ием р аз ности гидр а вл ических стол бов ко м понентов в б а к а х ) . Н едостатком а ктивного перелива я вляется сложность и бол ьш а я м а сса систе м ы перел и в а жидких ком понентов топл и в а . В смеш а н н ы х схе м ах синхронизация уровней в б а к а х обеспечи ­ в а ется путем использова н и я схем с гидр авлически м и связ я м и и без н и х . П а кет р а кеты р азбивается н а отдел ьные груп п ы , внутри 1ютор ы х синхронизация обеспеч ив ается с помошью гид р а влических связей, а между груп п а м и всего п а кета уровни поддерж ива ются с помощью схем без гидр авлических связе й . С м е ш а н н ы е схе м ы с и н ­ х р о н и з а ц и и ЯВJ1яются с а м ы м и слож н ы м и в конструктивном отно­ шении. Из-за п ростоты конструктивного в ы полнения з аслуживают в н и­ м а н и я схе м ы синхрониз а ци и с п ассивной з а ко.1 ьцовкой б а rшв. Н а первой ступени р а кеты « С атур н - 1 В» используется пассив­ ная з а ко.п ьцовка топливных б а ков. Н а первой ступени р а кеты- носител я « С атур н - l В » вокруг цент­ р ал ьного б а к а с ж идки м кислородо м , и меющего ди а м етр 2660 м м , р а с положено восемь б а ков ди а м етром 1 790 м м , четыре б а к а з а ­ п р авлены окислител ем и четыре - горюч и м . Такой групповой мон1 48

uJ Рис. 9.7.

б)

c::::::=J - Горючее

с:::=l -ОкислитеАь

С х е м ы з а кольцо в к и топ л и в н ы х баков ракеты « С атурн- 1 В » :

.а - п р н н ц и n и а л ь н а я с х е м а з а к о л ь ц о в к н г а з о в ы х п о д у ш е к б а к о в с ж и д i\ И М к и с л о родом . и б а к о в с г о р ю ч н :\t 1 - к о л л с к т tJ р н а д д у в а и д р е н а ж а б а к о в r о р ю ч е г о ; 2 - н а дд у в ц с н т р а л ь • ю r о б а к а о к и с л и 4 т е л я н р а с n р едел и т е л ь н о е у с т р о й с т в о ; 3 - м а г и с т р а л ь н а дд у в а 11 д р е н а ж а н а р у ж н ы х бш<ОВ O K I I C JI I I Т C JI Я

(4

ШТ . ) ;

6 - п р и н ци л и а л ь н а я

.п н т сл я ;

схема

5 - Т р у б о П р ОВОД

; р у б о n р оnод

з а Jюл ь ц о в к и

за к о л ь ц е в к и

3 3 K O JI Ь Ц O B K I I

ба ков

по

O K I I C JI И T C JI Я ;

ж и д ко с т и :

4 - м а гистра л ь

6- 'Ш Г II C T \> " Ji b

ШIТ3 1111 Я

пита н и я Г О J> Ю Ч е r о ;

горючего

окис­

7 -

таж б а ков требует решения ряда проблеУJ , возни ка ющих п р и з а ­ п р а вке и о порожнении топл и в н ы х б а ков [4 1 , 44] . Н а рис. 9.7, а п р и ведена п р и нци п и а л ь н а я конструкт и в н а я схем а з а кол ьцовки газовых подушек баков с жидким кислородом и ба­ Iюв с гор юч и м . З а кол ьцов к а б а ков п роводится д.11 я выравнивания давления газов в них. Н а рис. 9.7, б п р иведе н а п р и нци п и ал ьн а я схем а з а ко.льцовки б а ков по жидкости . Эт? з а кольцов ка обеспеч и в а ет р авном е р н ы й р а сход компонентов и з б а ков и поддерживает ста бил ьность и з м е­ нения уровi-: я жидкости в б а ках в процессе и х опорож н е н и я . Кроме того, з а кольцо�ка б а ков позвол яет использов ать все то пливо в с.1уч а е, есл и оди н из вось м и дв игател ей выйдет и з строя и.1 и qро­ изо йдет его пр еждеврем енное отключение. З а кольцов к а позвол яет т а кж е произвести з а п р а в i<у точ ной доз ы компонентов топл и в а , что­ бы обеспечить м а кс и м а л ь н ы й сум м а р ный и м пул ьс, м и н и м альные н ев ы р а б атываемые остатки топл ива дл я вы пол нения прогр а м м ы полета. В р азде.1 е р ассм а т р и в а ются з ада ч и , связ а н н ы е с в ы бором гео­ м етри ческ и х р а з м еров газовых и гидр а вл и ч еских м а ги стралей, со­ еди няющих отдел ьные б а к и . Д а нные задачи решены автором со­ вместно с и аженером Сытником Н . П . Обозначения Pn - давл е н и е з а н асосо м ; Рн - давление в I<а мере двигател я ;

Ргг -

давление в к а м е р е газогенерато р а ;

1 49

ссi<упдн ы й р а з б р u с р а схода г а з а п а н аддув топл и в н ы х б а к о в ; R - газо в а я посто я н н а я газа наддува в баке; Т - темпер атур а газа в тошшвном б а ке ; !1р - до п усти м ы й р азброс дав.пенпй в б а к а х ; р и - дав.'I ение газа в топл ивном б а к е ; Е - коэф ф и циент м естн ых потер ь ; i. - коэф ф и циент трен и я ; J.t - коэф ф и циент р а схода м а ги с тра л и ; Рк - давление г а з а в ко.пл екто р е ; P I , р2, рз, р.., - давл ение г а з а в б а ках 1 , 2, 3, 4 ; р - плотность компонентов топл и в а ; G0 - потр е б н ы й ном и н альный с еi< у н дны й р а с ход г а з а н а дду в а ; D - м а кси м альный ди а м етр б а i< а ; ·F1 , F2 , Fз , F 4 - площадь зеркала жидкости в б а ках 1 , 2 , 3, 4; Н1 ,2 , Н2,з , Нз,4 , H4, I - р азность уровней ком понентов топлива в б а ка х 1 и 2 ; 2 и 3 ; 3 и 4 ; 4 и 1 ; Q 1 , Q2 , Qз , Q4 - об ъемный р а сход ком понентов топлива ч е­ р ез ТНА двигательной уста новки 1 , 2, 3, 4 ; R To - р а ботоспособность газа наддува н а входе в бак; ( R То) эФФ - р а ботоспособность газа н аддува в баке; VI , V2, Vз , v4 - объем б а к а 1, 2 , 3, 4; VI , v2 , Уз , v4 - объемный расход ком понентов топл ива из баков 1 , 2, 3, 4 ; k - показатель ади а баты ; l, d, F - дл и н а , диа метр и площадь м а гистр али з а­ кольцовки ; hx - перегрузка, действующая вдол ь продольной оси ; n 1 ,2, n2,з, nз,4 , n4, I - перегрузк а , дей ствующая вдоль м а гистр али з а кольцовки, соединяющей баки 1 и 2; 2 и 3; 3 и 4; 4 и 1 ; G 1 , 0 2 , G3, G 4 - секундн ы й р асход газа н а наддув бака 1 , 2, 3 и 4 соответственно. !1 G

-

И ндексы г - г аз о в а я м а гистр аль; ж - ж идкостн а я м а гистр аль; ш - шайба.

Р асчет м агистрал е й з ак ол ь ц о вки п о r азу

П р и пассивной з а 1юл ьцовке б а к и до ююr ы п м еть гидр авличе­ ские связп по ж п д iiO C l l l , а т а кж е с в я з п по газу д.1 я в ы р а в н и в а н и я д а в.l е Н I I Й в н у т р и б а к о в ввиду того, ч т о р а зброс давл е н и й г а з а в 1 50

б а i< а х в ь.зьш а ет до поJш llтел ьное р а ссогл а сов а н и е уровней ком по­ не нтов в б а к а х. Р азброс давлсн11 й газов в баках вызыв ается р а з бросом р а схо­ дов газов, иду ш н х на н аддув б а ков; секундн ых р асходов Iюм по ­ нентов топд ива из б а ко в ; х а р а ктер исти к дренажно-предохр а н и ­ тел ь н ы х кл а п а нов, уст а н авл и ваем ых н а б а к а х ; р аз м еров б а ков. Кром е 1 ого, н а р а з ность давлений газа в б а к а х оказыв ает вл и я ­ н ие р а зд ичие теплом ассаобмен а между г а з о м , стенкой и зерка.1 о м ком понента то плива в б а к ах. Оценим вл и я н ие каждого из эти х ф а кто ров н а х а р а ктер раз­ броса давлений в б а ке. Нетрудно поi.;:аз ать, что р аз ность давл ен и й в топливных ба ках, вызва н н а я от.тш ч и е м секундных р а сходов ком понентов из б а ков, всегда вызывает перетекание ком понента в нужном напр авлении и в ы р а внивать ее нецелесооб р а·з но. В н астояшее в р е м я дл я наддува б а ков испол ьзуются автоном­ н ы е и вторичные систе м ы н аддув а . В автон.омн. ых систе м а х н аддува п а р а м етр ы г а з а н а входе в б а к не з а в исят от реж и м а р а боты двигател ьной уст а новки. Во вто­ р и ч н ы х систе м а х н аддува п а р а м етр ы г а з а на входе в топливный б а к з а в исят о т режи м а р аботы двигательной установки ( газогенер атор­ ная систем а н аддува топливных б а ков н а основных ком понентах то­ п л и в а с отбором их после н а сосов двигательной установки ) . В ав­ тоно м н ы х систем а х н аддув а истечение газа в бак м ожет быть как докритическое, так и сверхкритическое. При сверхкритическом истеч ении газа в бак р аз брос секундных р а сходов ком понентов из б а ков всегда вызывает положител ьную р аз ность дав.r1ений в баках. П о кажем с п р а ведл ивость этого положения и дл я до критического мстечения газа в бак. П редполож и м , что р асход ком понента из б а ­ ка 1 бол ьше, чем из б а к а 2, а давление в б а ке 1 бол ьше или р авно давлению в б а ке 2. П р и т а ко м предположении р а з ность давлений в ба ках будет проти водействов ать перете к а н и ю ко м понента , но тогда п п р иход газа в бак 1 будет меньше или р а вен п р иходу г а з а в б а к 2 и , с.т�едов ател ьно, давдение в б а ке 1 будет м еньше, чем в б а ке 2, что проти вореч и т исходном у п р едпо.1ожению. Т а к и м обра­ з о м , р аз ность дав.т� е н и й , вызв а н н а я р а збросом-секундных р асходов Iюм по iiентов из б а ков, всегд а содействует пер етек а н и ю ком понен­ т а в н уж н о м н а п р ав.т�ен и и . Во втори ч н. ых систе м а х н аддува п а р а м етры га з а н а входе в б а к обычно сверхкр итические. Р а ссмотр и м с.т�уч а й , когда наддув б а к а о кис.т� ите.11 я пропзводптся от газогенер ато р а , р а бота ющего н а основ­ н ых I<Ом понента х топшш а . С этой це.т� ью з а п ишем д.тi я секундного р асхода компонента и з б а к а ( 9. 2:2 ) Go = a 1 V1- н - р., где а 1 - коэф фициент п ропорционадьности. Д а в.1 еш1е в камере сгор а н и я ЖР Д п р едставим завнеи мастью (9. 23) Рк = �/Jо, где � � - коэф ф п циент пропорцпон а.11 ьности . 151

Из в ы р ажен и й ( 9.22 ) и (9.23) получ и м

(

Об = a l -

а��� + "\!( -а-�-1_+_Р_н 2

)

.

(9 . 24}

Секундный р а сход ком п о нентов топли в а через газогенер атор

G гг = а2 1/ Рн - Prr·

(9. 25)

Секундн ы й р а сход газа через газогенер атор аналогичном (9.24) . о гг - а2 -·

(

- а 2 �2 + i .4

1;/ � � 4

+

Рн

)

з а пишем в в иде,

( 9 . 2 6)

•

Давление в камере газогенер ато р а з а п и шем в виде, аналогич­ ном ( 9.23) ( 9. 2 7 ) где а 2 и � 2 - коэфф и циенты пропорционал ьности . . П р и форсировании и л и дроссел иревании дви гател я давление з а н а сосом окисл ител я изм еняется н а велич ину + � р . Обозн а ч а я р ас­ ход компонента топл и в а и з б а к а н а режиме, отл и ч но м от номид* д� и � : нального, ч ер ез G * , составим соотношения G гг Об дл я р асхода из бака

О�

об =

-1

+ V 1 + Аt Р н О + k ) - 1 + V1 + Аt Рн

(9. 2 8)

дл я р а схода через газогенер атор д"г г - 1 + V 1 + А 2Р н ( l + k ) G rr - 1 + Jl 1 + А 2Р н

( 9 . 29 )

=

о�. o;r - соответст венно р асход ком п онента и з бака и р асход компонентов ч ер ез газогенер атор на р ежи м ах, отл и ч н ы х от номи­ нальных ; р k= д н Рн

г де

•

Р ассмотр и м произведение 2 а 21 р к2 Рк = р� 2 r)?. = Ut2 � -."..-_:.... Utt-'1 0б ai (Рн - О к) Р н Рк 2.._,2 > 2.._,2 a2,J2 и , следов ательно, А 1 < А 2 · об ы чно Рк > Рг г • тогд а Ut;J t Из в ы р ажени й (9.28) и ( 9.29) видно, что они отJш ч а ются друг от друга тол ько з н ачением коэффициента А . Вел и ч и н а А < 1 . Д.т:IЯ р е­ ж и м а дроссел и р о в а н и я двигател я k < O и выражение ( 9.29) бол ьше ___

1 52

3

Рис. 9.8. С х е м а А с в я з и по газу:

1 - б а к · 2 - м а г и с т р а .ч ь з а к ол ь цо в к и по 4 - м а г н г. т р а д ь з а к о ..1 ь ц о в к н п о ж н дi'\Ост и ;

Рис. 9 . 9 .

Схема Б

газу;

ч

3 - д р е н а ж н о - п р едох р а н и т ел ь н ы й

кла п а н ;

5 - р а с ход н а я ;о..t а r и с т р а д ь

с в я з и по газу:

1 - G a i· C 2 - м а г и с т р а .т� ь , с о е д и н я ю щ а я б а к с к о л л с к т о р о :\t ; З - дре н а ж н о · п р сдохр а н и т с л ь ­ н ы й I<л а п а н ; 4 - к о л л с 1..:т о р ; 5 - м а г и с т р а л ь з а к ол ь ц о в к н п о ж и д к о с т и ; б - р u с х од н а я �t а r п ­ <: т р а , J ь

в ы р ажен и я ( 9 .28) , а дл я режи м а форси ров а н и я двигателя k > O и в ы р ажение (9.29) меньше в ы р ажен и я (9.28 ) . П р и дросселировании д вигател я давление г а з а в б а ке повы ш а ется, а п р и форсировани и ­ уменьшается, т. е. р аз ность давлени й г а з а в б а ках в обоих случ а ях спосо бствует перетеi< а н и ю ко м п о нента топл и в а в нужном н а п р ав­ л е н и и . Таким образом, р аз ность давл е н и й газа в б а к ах, вызв а н н а я р а з н ы м и р а схода м и ком по нентов топл и в а из б а ков, способствует перстеканию ж идкости в нужном н а п р авл е н и и и в ы р а в нив ать е е нецел есоо б р а з н о . , Нетрудно показ а ть, что р аз ность давл е н и й в б а ках, вызв а н н а я р а з б р осом р асходов г а з а н аддув а , может спосо бствовать ию1 п р е­ п ятствовать перете к а н и ю ком понента топл и в а в нужном н а п р авле­ н и и . Вю1 я нием остальных в ы шеперечисл е н н ы х ф а кторов н а р аз­ брос давл е н и й газа в топл и в н ы х б а к а х можно пренебреч ь ввиду его м алости . Дл я в ы р авнивания р азности давлений газа в б а ки дол ж н ы быть соединены по газовы м полостям подо бно связ я м п о жидкости . Н а р и с . 9 . 8 и 9.9 п р иведе н ы две возможные п р и н ципиальные схе м ы связи по газу. П р а ктически невозможно в ы р авнять давления в баках п р и схе­ м е А связи по газу, поэто м у з ададим допусти мое з н ачение р ас­ согл асов а н и й давл е н и й !!р. При малых з н а чениях 11р газ можно считать п р а ктически несжи м а е м ы м . Тогда площадь м а гистр али з а кольцо в к и по газу о п р едел ится по формул е д.О -( 7ft г - 2fL Jf2gpб.:lp 1

F -

(9. 30)

( 9. 3 1 )

где �� - коэфф н цпент р а схода м а гистр ал и ; !! G - секундн ый р аз ­ брос р а сход о в газа н а н а ддув то пл и в н ы х б а ко в ; Ро - д а в л е н и е г а з а

1 53

в б ш" � ; 11р - допусти м ы й р а з брос р а сходов г а з а н а наддув топл и в -­ н ы х iJ a кu в ; R - газов а я посто � ш н а я г а з а н аддув а в б а к е ; Т - тем­ пер а тур а г а з а в топ.1 и в ном баке Прн т а ко:\1 в ы боре м а гистр алей з а кол ьцо в к и по г а з у м а кси ­ м а .l ыi а я отр н ц а те.1 ь н а я р а з ность д а вл е н и й !1. р воз мож н а п р п оди­ н <:! ковых сеi<у ндн ы х р а сход а х ж и д к и х I<а м понентов то пл н в � пз б а ­ ков. П р и р а з н ы х секундн ы х р а сходах к о \1 по н е нто в т п п .1 I I В З 11 1 б :J ­ ков эта р а з ность уменьшается и может быть в некоторых едуч а я х сведена к нулю, ввиду того, что р а з н ы е секундн ы е р асходы Iю м по ­ нентов топл и в а и з ба ков всегда способствуют перете к а н и ю ко:\ШО­ нентов топл и в а в нужном н а п р а вл е н и и . Уменьшение р а з броса р а схода г а з а н а н аддув б а ков п риводит к уменьшению р а з ности давл е н и й г а з а в баках. Если р аз брос р ас­ ходов г а з а на н аддув т а к м ал , ч то и вызываем а я им р а з ность дав­ лений будет м еньше ил и р а в н а �р, то в этом сл уч ае отпадает не­ о бходи мость устанавлив ать м а гистр али з а кольцовки по- газу. С хе м а связей Б по газу дает возможность уменьшить р азброс: р а сходов газа н а наддув . Дренажно-п редох р а нительный кл а п а н з· уст а н а вл и в ается на Iюлл екторе 4, который соеди н яется с б а к а м и 1 трубоп ровод а м и 2 оди н а ковой Iюнфигур ации и площади. Р а з­ брос расходов г а з а н аддува о п р едел я ется тол ько р а з бросом сопро­ тивлений м а гистр алей. Разброс р асходов газа можно уменьшить. двум я спосо б а м и , а и м енно орга низовать: сверхкритическое и�теч ение газа и з коллекто р а 4 в баки 1 � поставив н а м а гистр алях 2 , соеди няющих баки 1 с коллектором 4 , ш а й б ы , точ но подогн анные по своим сопротивлени я м ; докрит !'!ческое истечение г а з а и з колл екто р а 4 в б а ки 1 п р и м а.п о м переп аде м ежду б а к а м и и коллектором, ввиду м алого пере­ пада давл е н и й и а бсолютн а я вел и ч и н а р а з бросов этих перепадов также буд�т м алой. Этим и двум я спосо б а м и можно до би ться т а ко й раз ности р а с ходов г а з а н адду в а , котор а я будет меньше неi<оторог.о зада н ного з н ачения !1р. В схеме связей Б по газу б а ки по газу не з а кол ьцо в ы в а ются и прп р асчете ма гистр алей з а кольцовки по жидко�ти нео бходи мо учитыв ать положительную раз ность давлений г а з а в баках. При доi<ритическом истечении г а з а в бак площадь трубопровода 2, соедин яющего б а к с коллекторо м , опреде­ л я ется п о ф ор муле (9 . 32)

где G o - потреб н ый но м и щ 1 .1 ь н ы i'1 секунд­ ный р а сход г а з а наддув а . Необход и м о отметить, что ф о р м у л а (9.32) с п р а ведл и в а д л я :\t алого п е р е п а д а да в.1 е н и й , т. е . когда газ можно считать Н еС Ж 1 1 :\1 а еМОЙ Ж !IДКОСТЫО . 1 54

Р и с . 9 . 1 0 . Расчетная по ж и дкости

схема

м а Гitстрад ьной

з а ко.1 ь ц о в к и

П р и свер хкритическом истечении газа в б а к шющадь трубопро­ в ода 2, со е д и н я ю щего б а к 1 с IЮ.1Леiпором 4, дол ж н а быть не м ень­ ше у ч етверенной площади п р оходнога сеч е н и я ш а й б ы , уста новл е н ­ ной в м а гистр а л и . П .rю ш а д ь праходного сеч е н и я ш а й б ы о п р едел я ­ ется по форму.1 е

r де т -

-

(k + I )k� 1 ..Vf 2

2k

k+ l

g

·

fi '

k - пока затель а д и абат ы .

Р асч ет м агистра л е й з акол ьцов к и по жидкости

Н а рис. 9. 1 О п р иведе н а п р и нци п и ал ь н а я схем а м а гистр али з а ­ tюл ьцовки по жидкости. З а п и шем систему у р а в н е н и й дл я р асчета м а гистр алей з а кол ьцовки по жидкости дл я издел и й , состоящих из бол ьшого или меньшего ч и сл а б а ков, ч исло у р а в н е н и й в р а сч етной схе�е увел и ч и в а ется или уменьшается соответственно. Ниже п р и ­ водятся с исте м ы у р а в нений дл я р асчета м а гистр алей з а кольцовки дл я схем связей А и Б по газу. С исте м а ур ав нен и й дл я опр ед ел е ния р ассо гл асов ания уро в не й жид кости в б аках при сх е ме с вя з ей по газ у А

Дл я о п р едеJiения р ассогJi а сов а н и я уровней компонентов в б а !\аХ можно з а писать: 1 . Четыре уравнения изменен ия р ассогл асов а н и я уровней в баках:

:.

d 1' 2 =

;2

[Q + Jl2g p.жFж ( JIH2• 3nx + l1n2 .з - V Hцllx + lnl.2)] 2

; d�2,:1 ;3 [Q3 + V'2gр.жFж ( V Н3 ,4nx + l1n3,4 - V 2,зflx + t 1n2,з)] - F12 [Qz + J12gtLжFж ( J1H2.зnx + ltn2.3 - V H1.2nx + Z1n1.�) ] ; d::·4 = -};- [Q4 + Jl2� fLжFж ( 1 1H4.1nx + ltn4,1 - J - - H3,4nx + l1 n.3,4)] -;_ [Qз + l12g:J.жFж (VHз.4nx + ltn3.4 - 1/H2.Зnx + Z1n2,з)] ; d:�· 1 = )1 [Q1 Jl'2g:J."_F"' ( V H1.2n.,- + Z 1n1,2 - 1/H4.1nx + ltn4,1)] - 1 [Ql + V2gp.ЖFЖ (11H 1,2nx + l1n1,� - v·н4,1nx + l1n4,1)] ; =

�

Н

-

4

.

J

+

-

1 F4

[Q4 + -I 1'2g:J.ж Fж ( l -rH4.1nx + Z1n4, 1 - l-1H 3,4nx + ltnз,4) ] . ( 9. 33) •

1 55

2 . Чет ы р е уравнения изменения свободного времен и : vl =

V3

=

1· t-,\d-r;

V2 =

\' V 3�tt ;

\/4 =-= \' V 4 1t .

�

о

�

о

объем а б а ков по

�

_\ V2d-r;

о

�

(9. 34)

а·

3. Уравнение и з ,I е н е i ш я площади зер к ал а компонента в з а виси­ мости от и з м енен и я свободного о бъем а б а к а ( 9 . 35 ) F= f (V). 4 . Четыре у р а Б и е н и я объе м н ы х р асходов ком понентов из б а ко в :

t-\ = Qt + v'2gtJ-жfж V H1.2nx + ltnt,2 - VHыn x + Ltnы) ; V 2 = Q2 + V:l� tJ-жFж ( VH 2 .зnx + ltn 2,з - V H 1 ,2nx + ltn 1 ,2) ; Vз = Qз + V 2кtJ-жFж ( V H 3 .4nx + lrn3.4 - V. H2,Зnx + l1n2,з) ;

( 9 . 3 6)

V4 . Q4 + V 2gtJ-жPж (VH 4, 1nx + lrnы - VHз,4nx + lrnз.4) ,

где l 1 = D + l .

Н а ч ал ь н ы е условия

= Vз = V4 = Vo .

-.: = 0,

Н 1 ,2 = Н2,з = Нз ,4 = Н4 , 1 = 0,

V1 = V2 =

Систе м а ур авнений ( 9.33) . . . (9.36) дает возмож ность опр еделить р ассогл а сов а н и е уровней компонентов топл и в а в б а к а х , есл и изве­ стн ы фор м а б а к а , м и н и м альное р асстояние между бло к а м и , пло­ щадь трубы з а кольцовки по жидкости и з а ко н изменен и я по вре­ мени Q J , Q 2 , Q з, Q 4 , n 1 ,2, n2,з, nз.4 , n4, 1 , n x . Коэффици ент р асхода м а ­ гистр али �t ш о п р едел яется по фор м ул е ( 9 . 3 1 ) . С и с те м а ур а в н е н и й дл я о п редел е н ия р ассогл ас о в а н и я у р ов н е й к о м п оне н т о в в ба к а х п р и с х е м е Б свя з и п о газу

В это м сл уч а е п р и р а сч ете р а ссогл асов а н и я уров н я компонен­ тов в баках необход и м о учитывать изменен и е давл е н и я г а з а в ба­ ках. И з м енение давл е н и я г а з а в б а к е о п и с ы в а етс я уравненнем [47]. которое в п а ш е м сл уч ае и м еет вид: (9. 3 7)

П одставл я я з н ач е н и е (]0 нз уравнени я (9.22 ) , получ п :м з а ко н измене н и я давлеJ : : I f' в б а ке дл я случ а я до критнч ес кого теч ени я г а ­ за в бак

( 9. 3 8) г де

1 56

П одставл я я G0 из у р а внения ( 9.22) в уравнени е ( 9 . 37 ) , ПО.'I У­ ч и м з а ко н изменения давления в б а ке дл н случ а я сверхкр iп ическо ­ го истеч е н и я г а з а в б а к dp = k - ( B - p V ),

.

В

где

�J.m Fш P r УТо

• о 3фф ·

( RT )

dт

(9 . 39)

V

С учетом уравнен и й ( 9.38) , (9.39) дл я оп редел е н и я р а ссогд асо­ в а н и я уравнений ко м п о н е н то в топл и в а в б а к а х при с х е м е связей по газу Б можно з а писать: l . Четы р е уравне н и я изменения р а ссогл асов а н и я уровней в б а к ах :

dHt ,2 ;:;- = F; [ Q2 Т 11жF V2 ( Vf 2 ,зn + t1n2,з + Р2 - Рз ----; 1/ Hx,2nx + l1n1 . 2 + Pt -; P2 ) J -* [ Qt + P.жFж V2g 1

1

ж

g

""

Н

р

r

-

Х

-

Х

� H4.1nx + l1n4.1 + Р ( Vj H 1,2nx + Z1n1.2 + Pt d��· 3 =* [Qз + Р.жF Jl2g( �� Hз,4nx + Ztnз,4 + � р4 - Р2 Р

"1

-

v

-

ж

H'J..3nx + Ztn2,з +

Р2 -; Рз

/

4 - Pt Р

) ]- l [ F2

P.J

Q2 + 11жFж V2g

Х

1 57

2 . Четы р е ур а внения изменени я време ни V1 =

�

J

о

свободного объе м а

V 1 dт, . . . , �'4 =

�

.\ v d4т.

б а ков по ( 9 .4 1 )

о

3. Уравнение изменения площади зе р ка.Тi а ко м понента в з а виси1V! Ости от и з м енения свободного объе м а б а к а ( 9. 42) F = f (l/).

(9. 43)

-V V4 = Q4 + r-жFж -

Н 2 , зnх + /1n2 , з +

V2g

V

(V

Р2

� Рз

)

H ыnx + lt ll4.1 + ·

Рз H з , 4nx + l t n з , 4 +

� Р4 )

,

р4 � Pt ·

з а в б аке дл я до­ 5. Четы ре ур авне ния изме нени я давл е н и я г а етств енно : соотв I<р итич еског о и свер хкри тичес r<аго и стече ния, я и н а ) д.ТI Я докр итич еско го исте че

d p t = __!!__ (А Jlp г - Pt - Ptli t) ; V1 dt dp 2 = � (А V Р г - Р2 - P2V 2 ) ; v2 d r.

.

d р з = � (А

d т.

d p� J 58

ttr

·•

Vз

J

P r - Рз - РзVз) ;

= � (А 1 -Р г - Р4 - р4 1i4) : V4

(9. 44)

б ) для

с в ерх к р и т и ч е с к о г о и с т е ч е н и я

dp l dт

= _!!__ ( В - pl \-\ ) ; vl

d p .-, k (в -=v2

dт

- р2 v· 2 ) ;

dt

_k_ (В - Рз V з );

dт

= ....!!_ ( B - p4V 4) .

d p�j

dp4

=

V3

v4

Н ачальные ус.т�овия п р и т = О : Н и = Н2,3 = Н3,4 = Ны = О ; V1 = V 2 = V3 = V4 = V0; Р1 = Р2 = Рз = Р4 = Ро. где Р о - давление предв арительного н аддува в б а ках. Н еобходи м о отм етить, что при решении систем уравнен и й ( 9 . 3 3 ) . . . ( 9.36) , ( 9.40) . . . ( 9.45) под корням и могут получ аться о т р и ­ цательные вел ич и н ы . В этом случ ае з н а к ми нус должен быть вы­ несен из-под кор ня. Физически это означ а ет, что жидкость перете­ кает в сторону, обр атную той , котор а я был а принята при состав­ лении системы уравнен и й . П р и соста влении систем ура внений ( 9.40) . . . ( 9 . 4 5 ) предпол ага­ лось, что давление в газовом колл екторе постоянно. Это давл ение н е должно быть меньше н а перед з аданного давл ения Р г , ибо в про­ тивном случ ае не будут обеспечены необходим ы е давления н а вхо­ дах в насосы. По условиям безкавитационной р а боты насосов это давление может быть больше Рг· Покажем , что при повышении давления в газовом колл екторе р азность давлений в баках будет повыш аться и, таки м обр азом, условия дл я пер етека ния жидкости в нуж ном напр авлении будут улуч шаться. С этой цел�;>ю р а ссмотри м случ а й : пусть давление в б а ке 1 р ав ­ но Р 1 , а в баке 2 - Р2, причем Р 1 > Р2 · К а к следстви е посл еднего не­ р а венства и меем V1 < V2. Пусть Рг* > Рг· З а пишем уравнение ( 9.37 ) п р и м енител ьно к бакам 1 и 2 дл я давлений в коллекторе Рг и Рг * . Дл я давл ени я в колле1пор е рг : dp 1 dt d p2 d -c

= ....!!_ (А * Vг Р-г-Р-1 - P11i1 ) ; v1 = ..!:..._ (A * V Р г V Р г - Р 2 - Р2V2 ) . v2

Дл я давления в 1юллекторе

dp �

---;J;"

dp; dt

Зде с ь

А* =

�г

= =

Рг* :

. k ( А :;;. vР; - vр ; - Р 1 - Р 1 V 1 )

V1 k

v. 2

--

( 9. 46 )

( А * V/J: V р · - Р2 - p., \i2. г

г

;

( 9 .4 7 )

-

• 1 5!}

Составим р а з ность

d (р; - р;) d '!J

Тогда

d (р; - р;) dт

- d (pr р 2 ) d-;

- AV* k 2

=

(9 . 48)

* ( JIр; 11 р; - Р1 - Vflг· vРг - Р1) -

(Vp; Vp; - p� - 11Pг VPг - P2)

·

Учитыв а я , что Р 1 > Р2. V, < V2 и Рг* > рг , получ и м

d (Р; - Р;) d т.

_

d (Р! - Р2) > О.

(9.49)

d т.

т. е. р азность давлений больше п р и большом дав.11ении г а з а в кол­ лекторе. Для сверхкритического и стечения, продел ав а н а;rюгич ные пре­ о б р азов а н и я с ур авнением ( 9 . 3 9 ) , получи м

d ( p ; - p;) где

Р2) = d ( Р! d 'IJ

в :;с. = в .

=

k В* ( Рг' - Рг) - k2 � V

В*

( Рг - Рг) , '

-

о 1 !)

а)

Рг Эта р а зность положител ьн а , так как V1 < V2. Следовательно, р а ссч итывая р а ссогл асов а н и е уровней ком по­ нентов топл и в а в баках при Pг = co nst , nолучим м а ксим ально воз­ мож ное р а ссогл асов а н ие уровней компонентов топл и в а дл я схе м ы Б связи по газу.

Глава

10

Г И Д РА В Л И Ч Е С К И й УД А Р В С И С Т ЕМАХ П И Т А Н И Я Ж РД

Явление гидр авл ического уда р а , воз ника ющее в систем а х пи­ та н и я ЖР Д, исследуетс я с цел ью о п р еделения геометрических и упруги х х а р а ктеристи к компенсаторов уда р а , а также вы яснени я влияни я водновых процессов в трубопроводах систем ы н а динами­ ч еские хар а ктеристики дви гател я . П роцессы, происходящие в трубо проводе п р и ударе, довол ьно сложны, а поэто м у дл я инженерной оценки и с пользуют обычно упрощенную модел ь, с п р аведл ивую дл я простейших трубопровод­ ных систе м . В случ а е сложных систем , а т а к и м и являются систе м ы п и т а н и я ЖР Д, и нженер ные м етодики р а счета гидр авлического уда ­ р а оказываются грубыми и п р и ходится пользоваться более точ ной м а тематической модел ью, что со пряжено с р ядом трудоемких р а ­ бот вычисл и тел ьного и постановоч ного пл а н а . Обычно п р и р асчете гидр авлического уда р а используются у р а в ­ н е н и я неустановивш егося движения жидкости в тр убах, динеар и ­ зов анные по методу И . А . Ч а р наго [70] . В этом случ ае уравнения кол ичеств а движения и неразрывно­ сти з а писыв аются в виде [52] : -F д р = д G дх

iJt

+ 2Ь 0 · •

( 10. 1 ) G д = а2 д р F • дt дх где р , G - давление и р асход ж идкости ; F - площадь проходнаго сечения трубопровод а ; а - с корость звука, о п р едел яем а я по изве­ стной фор м ул е Жуковского

tl

ао

а = ----:-:====K

( 10. 2)

d, 1+

-­

оЕ

Здесь ао - скорость р аспростр анения звука в жидкости ; dт - диа­ м етр трубопровода ; б - тол щи н а стенки трубоп ровода ; К, Е - со­ ответственно модуд ь объемного сжатия жидкости и модуль упруго­ сти первого рода м атер и а л а трубопровода. Коэфф и циент Ь, оп редел яющи й потери энергии н а вязкое тре­ ние, опр еде.'l яется соотно шением 6-- 1 7 1 8

161

2 Л { w� + W к Wo -- 2 w�) ( 10.3, Ь=( w к - Wo) Зd r где Л - коэффициент трен и я ; Wк, w0 - соответственно м а кси м аль­ ное и м и н и м ал ьное з н ачения скоростей жидкости. К а к указыв алось р а нее, систе м ы п ит а н и я )КРД п р едставл яют сложные ;-рубопроводы, в кл ю ч а ю ш и е участки трубо п роводов р аз ­ л и ч ного п роходнаго сечен и я , с р аз л и ч н ы м и упруги м и х а р а ктери­ сти к а м и , ответвдениями трубопроводов и т. п. Поэтом у при построении р асчетной схемы и м еет см ысл слож ную систем у р аз б ить н а уч астки простых трубопроводов, т. е. трубопро­ водов, и м еющих посто я н н ы е по дл и н е площади проходнога сечения и скорость звука. Соср едото Ч енные неоднородности ( е м кости, др оссе.ТJЬ н ы е ш а й б ы и т. п . ) п реставдя ем в виде простых р аспре­ деленных трубопроводов. Для к аждого простого трубопровода выбир аем свою а втоном­ ную коорди н атную систему. Тогда решение з адачи о гидр авл ическом ударе сводится к ре­ шению системы уравнений : дP J I

дOji дt

- FJ. . -- = -- + 2ь . . о1 . • l дX j i

- FJ· l·

д рj ; дt

= а 1�; дХд Пjл;

j = 1 , 2, . . . , N;

/1

Р

( 1 0.4)

'

i = 1 , 2, . . . , n1,

где j - номер ответвлени я ; i - номе р простого трубопровода ; nj ­ кол ичество п ростых трубопроводов, входящих в j-e о т в етвление; N - количество ответвлений. Искл ючив в систем е ур авнений ( 1 0.4) одну из переменных, н а­ п р и м ер P ii , н а ходим : д20 j i

дО j;

2

= Ь � + 2 11 ----а/ а11

д2 0 J i

iJx ;i .

( 1 0.5)

К системе ур авнений ( 1 0.5) необходи мо добавить н а ч альные и г р а ­ ничные условия, а т а кже условия сопряжения в сечениях сты к а и узд а х р азве1 вления трубопроводов. Н ачальные усдовия о п р едел яют р аспределение р асхода жидко­ сти в н а ч альный момент времени в к аждом п ростом трубопроводе, т. е. ( 10.6)

Условия непрерывности давления и р асхода в сечениях стыка про­ стых трубопроводов и м еют вид: ( 1 0.7) Р11 ( l Ji • t) PJ(i+ l ) (0 , t) ; ( 10.8) О1; (t1; . t) = Oi(i+l> (О , t) . =

1 62

С помощью уравнения нер а з р ывности соотношение

п редст авить в виде : a]i дОj ; (l1 ; , t) Fj ;

_

дх j;

2 i+ ) aj( l

д ОЮ + t > ( О ,

Fj( i + l )

дxj(i+ l )

t)

( 1 О. 7 ) можно ( 10 . 9 )

Р ассмотр и м теперь условия со п р яжен и я в узл а х р азветвления. П ре­ небрегая о бъемом , и м еющимся в узле р азветвл ения, услови я нераз­ рывности давления и р а схода з а пи шутся в виде j-a J�Q О1п (l ;п , i) = Ол ( О, t) ;

�

�

1-&

j- •

Pjn ( ljn • f) = P ; t (0 , i) , дОjп Uin • t ) д':Jл (0 , t) 2

а]п

или

дХj п

Fjn

-----

( 10.9' )

= а1 1 -----

( 10. 10)

дxjl

Для решения систе м ы ур авнений ( 1 0.5) кроме нач альных усло­ в и й и условий со пряжения необходи мо з н ать з а ко н изм енени я р ас­ хода или давления в концевых сечениях трубопроводной систе м ы. Н а пр и м е р , если к концевому трубопроводу подсоединен газо­ вый ком пенсатор, то гр а н ич ное условие и м еет в ид [48]

гд е

r� jn j =

VoP j n

.а]п .

1

PoFjn 1.

1

-----

V0, р0 - объем и давление г а з а в ко м пенсаторе ; P Jn г а1 п1 - плот­ ность жидкости и скорость звука в трубопроводе, подсоеди ненном к ком пенсатору; F1п 1 - площадь проходнога сечения трубопровода. Есл и в концевом сечении трубопровода уста новлен ком пенсатор с упруги м и стен к а м и и л и упругой мембраной ( подпружиненным пор шнем ) , то коэфф и циент �Jп 1 определ яется по формуле [48] �jn j =

Р jn

.а]п .Vo

1

1

Fjn1 Eнp

----­

где Е пр - приведенный м оду.r1ь объем ного сж атия жидкости. В более общей пост а новке гр а ничное условие в концевом сече ­ нии может быть представлено в виде : дJ j п · (lJn ; • t) 1 + O jn . ( l jn - , i) = f j п - (t) , �jfl · X 1 1 J 1

_

д jnj

где j 1 ,z1 ( t ) - ф у нкция , определяющая врем енной зако н з а кр ытия кл а п а н а . 6*

1 63

1 0. 1 . Г И Д Р А В Л И Ч ЕС К И й УДА Р В С И СТ Е М Е П И ТА Н И Я ОД Н О К А М Е Р Н О ГО Д В И ГА Т ЕЛ Я

Есл и двигатель однокамерный, т о питающие трубо проводы О I< И ­ сл ител я и гор ючего можно р ассм атрив ать как однониточ н ы й с.1ож­ н ы й трубопровод, кото р ы й в сеч е н и и Х 1 = О подсоеди нен к е м 1юсти бол ьшого объема ( б а ку) , а в сечении X n = lн уста новлен б ыстродей­ ствующи й кл а п а н , т. е. в мом ент в р а1ени i = O кл а п а н м гновен но. з а к р ывается. Н а йдем з а ко н и з м енения давд ения Pi (x i, t ) и р асхода в i-ом простом трубопроводе в момент времени t > O. Будем считать, что в н ач ал ь н ы й м о м ент времени течение в м а ­ гистр а л и ус1 а новившееся с р а сходом ком понента G i (Xi, О) = g. Тогда дл я решения поставл енной з адачи необходю .1 о н а й тп ре­ шение сис rемы ур авнени й : д 20 i

дt2

_ 2Ь . д О i - а '? д20 i ' ' дt дх L? -

( 10. 1 1)

п р и следующих н ач альных условиях

Oi (xi , O) = g; f)Q i (x i , 0) О·

'

дt

и

( 1 0. 1 2) ( 10. 1 3)

i = 1 , 2, 3 , . . . , n ,

граничных условиях (см . р азд. 1 0. 1 )

дО1 (О , дх1

t)

О ( у с л ови е постоянства давления в с е чен ии х 1 =0); (. 1 0. 1 4)

Oi (lit ) = Gi+ 1 ( 0, t) (у словия сопряжени я).

( 1 0. 15) ( 10. 1 6 )

Gп ( l,t, t ) = 0 ( кл а п а н з а крыт при t = O ) .

( 1 0. 1 7)

i = 1 , 2, 3, . . . , n 1 . Частные р ешения системы уравнений ( 1 0. 1 1 ) п р и г р а н и ч н ых и нач альных условиях ( 1 0. 1 2 ) . . . ( 1 0. 1 7) будем искать в виде ( 10. 18) G i (xi , t) = X (xJ Т (t). Подставл я я ( 1 0. 1 8) в ( 1 0. 1 1 ) , получи м _ ..c:. ..:i ) .. + � х L. ( Х,· ) - О '· - d2_X...:.;-;;(X ( 10. 1 9) ·> ·-

dx i2

а -;

d2 T (t ) d t + 2 Ь Tdt( ) dt 2

где 1 64

(J) -

собственные числ а з адач и .

-+1

ш2Т ( t) = О ,

( 10. 20)

Ур авнени я ( 1 0. 1 9) и ( 1 0.20) и м еют решения сл едующего вида :

rд е

� = Vto2 - b2,

Т

Х; (х ;) = А � s i п ((l)x;/a; +
(t ) = С ехр ( -Ы) s i n (;t + IJ!') ,

q; ; , С , Ч'' - произвольвые постоянные. Т а к и м образом, систем а уравнений ( 1 0 . 1 1 ) шение вида :

А/,

G; (х; , t) = А; е хр ( - Ы) s i п i .-=

и м еет ч а стное р е­

( ':�i + 9;) s i п ( ;t + ti') , '

( 10. 2 1)

'

1 , 2, 3 , . . . , n .

П одста вим ( 1 0.2 1 ) в уравнения условий со п р яжения ( 1 0. 1 5 ) ... ( 1 0 . 1 6 ) . П олучим уравнения, определяющие собственные ч исл а [48] :

(

) F;+1

_!j_ tg � + ?; = а;

а;

i=

а; н

( 1 0 . 22)

tg 9i + 1 ·

1 , 2, 3, . . . , n - 1 .

Т а к к а к уравнению ( 1 0.22) удовл етворяет бесч исленное мно же­ ство значений ш , то общее решение систе м ы ( 1 0. 1 1 ) з а пишется в в иде

� A;k ехр ( - Ы) s i п ( ��; + Yik) s i п (:;i + IJ!'k) , �

О ; ( х; , i) =

( 1 0 . 23 )

k=l где �k = Vшk - b2.

Из граничных условий ( 1 0. 1 4 ) , ( 1 0. 1 7 ) следует : 2k - 1 Ц) 9 1 = --- :t ; 9п =(k - 1 ) :t - ,- ln , 2 Lan k = 1 , 2 , 3, . . .

( :0. 24)

Тогда из ( 1 0.22) сл едует, что спектр собственных чисел определ я­ ется сл едующей системой уравнени й :

F

1 ct -g а1

F

[

( ) F.,
-

а1

=-

az

t g yz ;

F ( )

n )_ l n-1 t
--

( 10.2.5)


-

а11

•

Дл я оконч ательного решен и я задачи необходи м о определ ить коэффициенты А,, и чr k. входящие в ряд ( 1 0.23) . с этой цел ью IIC1 65

пользуем условие ортогонал ьности собственны х функций. l(ак по­ каз а на в [ 1 5], это условие и м еет вид:

� -1 s· n

/.

� F1 1= 1

xi p (xj) X; k ( x ; ) dX ; =

о

{

о п р и k f: р ; const п р и k = p .

< 1 0· 26 )

Подставим в место X i p (xi ) и Xil< (xi) и х з н ачения. Будем и м еть :

1 А 1 Р si n ( ы=� + cp i p) A ; k s i n (ы:� 1 + cp1k) dx = s : 1 1 (= 1 i

�

о

_

{ О,

п ри k f: р ; const п р и k = р .

Из н а ч альных условий ( 1 0. 1 2 ) . . ( 1 0. 1 3) следует .

(k

)

� . U> :Ci _l IТ� g = � А ik s ш -;;; т cplk sш � k; 00

k= 1

•

� A1k (;k cos Wk - bk s i n �·k) s i n ( =� x1 + cp1k ) = 0 , k

( 10•2 7)

( 10.2 7' )

00

-1

i=

1 , 2 , 3, . . . , п .

Из последнего р авенств а и м еем : или

\Т�

ctg � k =

ek c os Wk - bk s i n Wk = O

bk

.

-

ek

( 10 .29)

Умножим р а венство ( 1 0.27' ) на (A ip/Fi ) s in ( w pXi/ai + cpip ) dxi и про­ и нтегрируем л евую и пр авую ч а сти от О до li. П олучи м

:i A i p

S ( :; 1

sin

;j � s Aip s iп ( :; xi + cpip) k= 1 ( 10.30) A1k s i n ( =� х1 + cp1k) s i н Wkdx1, )

1

xi + '?ip dxi =

о

Х

х

о

i = 1 , 2, 3 , . . . , n . Скл адыв а я левые и правые ч асти полученной систем ы у р а внений, а т а кже учитыв а я , что соотношение ( 1 0.27) не изменится при ум­ ножении его н а s in ЧГk , пол учи м : fl

�

g i=1

166

; 1 s · A ;k s i п ( =� x1 + cpik) dx1 = /.

о

( 1 0.3 1)

Н а йдем соотношен и е м ежду A ; r, и А 1 1, . С этой цел ь ю ис пользу­ ем усл ов и е не пр е р ы в н ост и д а влен и я в м еста х сты к а простых тру­ бопр оводов. Это ус.1 о в и е в ы пол н я ется н е тол ь ко н а стыках просты х трубопро водо в, но и в узл а х р а з ветвле н и я . П оэтом у соотнош е н и я, уста н а вшш а ю шн е связь м ежду коэф ф и циента м и A il, и A t h . будут и м еть одiш шю в ы й вид к а к дл я однониточных , т а к и дл я р азвет­ вл е н н ы х трубо проводов. Из ( 1 0.23) и м еем :

(

)

д J ; ( х i , t) ,"\}.., А ik "'k е х р ( - bi ) cos "'k х ; -т'
(

)

·

•

�

( 10. 34)

Из систем ы уравнен и й ( 1 0.32) нетрудно получить A ;k = R;k A t k • j � i- 1 П cos ( "'kl j 1 аj + 'f jk) . _...:.I_-:--:-R,· k = ___!.J_ j - i ----л

•

( 10.35 )

cos 'fjk

j�2

Поде rавляя

( 1 0.34 )

i = 2, 3 , . . . , n .

в ( 1 0. 3 1 ) , получим :

,, n

/.

(R;k/ F; ) .f' s i n (wkx; /a; + 'fik) d.xi i � A ;k = -�-��---�o___________ /. n � (R7k !F ;) si n 1Гk .f ' s!n 2 (wkx;/a; + 'fik) dx; о i� l g

.._

( 10.36)

Р аскр ы в а я интегр а л ы , входящие в ( 1 0.36) , находи м :

� n

a;R ik [s i n (wkl; j2a; + 'f ik) s i n (wkl ;/2a;)] /F; �i��...:.t�----------------А i k = --n

4g

�

i�l

a;R7k sin ч·k

[wkli ;а; -

co s

(wk fa; + 2r ;k) si n (wkl ;/а;)] / F i

Т а к и м образом, р а сход ж идкости в i-м п ростом трубопр о вод е о п р еде.тt яется р ядом ( 1 0.23) , в 1ш тором коэффициенты р азложения A ;h и чr,, о п р еделя ются по формулам ( 1 0.37 ) и ( 1 0 29 ) Для получения з а ко н а изменения давл ения в о с'п ользуем с я уравнением движ е н и я ( 1 0. 1 ) 1 х P; (X; , i ) = - дО ; ( ; , t ) + 2b;G; (X ; , t ) d x ; + C (t), ( 1 0. 3 8) дt F; .

J[

]

.

1 67

i

=

1 , 2, 3 , . . . ,

ll .

Подста вл я я в ( 1 0.38) з н а ч е н и я G; (х;, t ) , о п р едел яем ы е формулой ( 1 0.23) , по.1 у ч п м : а; "-, = --р; � 0:

Р; (Х; , t)

k= l

ехр ( -

Ь ) A ;k t wk

<·>kX cos \-;;;

i

,

T Y ik

)

.

л

,

( 10 . 39 )

Нетрудно показать, ч то а н алогич ную формул у можно получить, ис­ по.Тi ьзуя у р а в нение ( 1 0. 1 ) . П р и этом в п р авiю ч асть уравнения вой ­ Эту дет произ во.11 ьн а я фун кци я С ( х) . Поэто:\1 У C ( t ) = С ( х ) постоянную нетрудно опреде.11 ить из услови я t-+-oo р ; (Х; , t) -+-p0, где Ро - давш�ние в сеч енип Х1 = О Т а к и м образом, оконч ательно и м еем :

= coпst.

.

a i ,-,

Ь A ik t) - р0 = - ,. е хр ( - t') ос

(x i , t). = Pi (х 1 , А цр

F; � k�l

"'k

cos

{wkX i +

а;

'fik ). Х ( 1 0.40)

1 0.2. Г И Д РА ВЛ И Ч Е С К И й УДА Р В С И СТ Е М А Х П И ТА Н И Я М Н О ГО КАМ Е Р Н Ы Х Д В И ГАТ ЕЛ Е й

Р ассмотр и м слож ную р азветвлен ную трубопроводную систему, состоящую, в общем случ ае, и з N одно ниточных слож н ы х трубопро­ водов. Кажды й однониточ н ы й трубо п р овод состоит из n простых трубопроводов. Обоз н а ч и м просто й трубопровод и ндекс а м и j i, где j = 1 , 2, . . . , N - номер ответвления, i = 1, 2, 3, . . . , ni номер простого трубопровода, входящего в ответвление. П усть в момент времени t < O движение ж идкого компонента в к аждом трубопроводе - уста новившееся. В общем случ а е будем счит ать, что н а ч альные р а сходы ж идкости в каждом трубопроводе разл и ч н ы е и р авные g.ii · В одном или нес!юл ьких концевых трубо­ проводах уста новлены кл а п а н ы , которые в момент в р·емени t = O мгновенно з а кр ы в а ются, а поэтом у пр и t > O р а сход в кон цевых се­ чениях эти х трубопроводов р авен нулю. Остальные концевые тру­ бопроводы м огут быть открыты, т. е. давление постоянно и р авно Ро, или же в концевых сечениях уста новлены сосредоточенные уп­ ругости ( газовые или упругие дем пфер ы ) . В т а ко й поста новке з ад а ч а сводится к и нтегрированию систе м ы ур а в нени й : д20j; дt2

1 68

+ 2Ь

дОj;

j = 1 , 2, . . . , N,

� д20л = а 1дt ' дх J�l-

'

i = 1 , 2, 3, . . . , n j ,

( 1 0.4 1 )

п р и н а ч а л ь н ы х ус.1ови я х

011 ( x ii• O) = gii ; дJj ; (Xj i • 0) дt

j = 1 , 2, . . . , N ,

( 10.42)

= О'

i = 1 , 2, 3, . . . , n 1

Р ассмот р и м теперь г р а н и ч н ы е ус.1овпя. В сечениях ст ыка п р остых трубопро в одов будут и м еть место услов п я ( 1 0. 1 5) , ( 1 0. 1 6) , н оторы е дл я р а ссм атриваемого случ а я з а п и шутся в виде: о11 (Z11, t) = 01< , + l> (О , t) ; ?

aj1

дОj; (lji •

t)

dXji

Fji

дО i U + t >

a]U +l)

( 1 0. 4 3)

дх Ю + t )

Fj ( i + I >

j = 1 , 2, . . . , N ,

(0 . t )

i = 1 , 2, 3, . . . , n 1 - 1 .

В узле р азветвлен и я ( с м . р азд. 1 0. 1 ) будем и м еть J=O

2

a•n e

F•n •

�E

j=

� G 1 1 ( 0 , t) ,

j= �

0111 (l111 , t ) =

r}J•nг ( Z •n e '

t)

дх . п .

j�•

а

2

�" . . . = --

. Fоп

дJ. r.�n

( l ljn . f) дх оп '

-

где е , б - номера о днониточ ных трубопрово д ов, входящи х в узе л р аз ветвл ен и я ; v, YJ - номера однониточ ных трубопроводов, в ы ходя­ щих из узл а р азветвл ения ; n - номер 1юн цевого простого тру бо-­ провода, входящего в узел р азветвления. К а к отмеч алось выше, в сечениях, в которых уста новлен кл а­ п а н , а т а к же в концевых сечени ях тупиковых трубопроводов р а с ­ х од ж идк ост и р а вен нулю, а поэтому граничное условие бу дет иметь вид: O j n (l ;11 , i) = O. В о б щем сл уч а е гра н п ч ное условие в концевых сечениях туп и ковых ответвленнй можно представить в виде : aoj nj ( Z J n j f ) '

'(;jn j

------

дxj rz · J

+ Oj n 1· (lj n p t} = O

(j = t.),

( 1 С .45)

где Л - ном ера тупюювых ответв.1 е н и й . В ч а стнос ги , п р и � Jn 1 -. C"J н :-.1 е е :-.1 г р а н и ч ное ycJlOBIIe дл я т р у б о п ровода, откр ытого в концевом сече юш ; пр и ;.;, Jn J. = 0 - з а крыто го . . 1 69

В силу однородности г р а н и ч н ы х условий ( 1 0.43) . . . ( 1 0.45 ) ре­ шен и е систе м ы уравнений ( 1 0.4 1 ) , как и в случ ае однониточного трубопровод а , будем искать в в иде : ( 1 0 .46) П одставля я в ы р ажение ( 1 0.46) в и сходную систему уравнений, к а к и в случ ае однониточ ного трубопровода , по.1уч и м : О 1 ; (х i i •

г де ;

=

(

)

i ) = А 1; е хр ( - Ьt) s i n ..!:!.__ х1; + r.p 1; s i n (;t -t- W), aj ;

( 1 0.47)

V w2 - Ь2 .

Т а к и м обр азом, дл я р азветвл енных трубопроводов з адача сво­ дится к о п р еделению собственных ч исел w и пропзвол ь н ы х посто ­ я н н ы х A ji, epji и Ч'. П одста в и м в ы р ажени е ( 1 0.47) в условие со п р я ­ ж е н и я н а стыке простых трубо п роводов ( 1 0.43) . П осл е неслож ных преобр азов а н и й получ и м :

Fj ;

--

a j;

1

ы

tg r . .

\ а, ,

)

t ii +
j = 1 , 2, . . . , N.,

Fj ( i + l >

aj(i + l )

tg cp ji•

( 1 0.48 )

i = 1 , 2, 3, . . , ni - 1 . Есл и дл я однониточного тр у бопровода уравнений ( 1 0.48) было до­ статочно дл я определения спектра собственн ы х ч исел w и постоян­ ных ер , то в случ ае р азветвленных трубопроводов остаются неиз­ вест н ы м и постоянные ер в узл а х р азветвления. Дл я того, ч тобы з а м кнуть систему уравнен и й ( 1 0.48) , используем условия совмест­ ности в узл а х р азветв.11 е н и я ( 1 0.44) . Совер ш а я преобразов а н и я, а н ал огич ные [48], получим сл едующие уравнения, з а м ы кающие си­ стему уравнений ( 1 0.48) : .

( 1 0 . 49)

Д а.11 ее, з н а я г р а н и ч н ы е условия в концевых сечениях однониточ ных трубопроводов [т. е. граничные услови я ( 1 0.45) ], нетрудно опреде­ л ить по формул а м р азд. 1 0. 1 з н ачения произвольных посто я н н ы х q-·лп в концевых сечениях. Так к а к ур авнения ( 1 0.48 ) ( 1 0.49) и м еют бесконечн ы й спектр значений w , то общее решение систем ы уравнен и й ( 1 0.4 1 ) будет и м еть сл едующий вид: . . ·

О1; (х 1 ; , t) =

A;1k ехр ( � k "'

-

bi) s i n

(:� x1; + 'Pii) s i n (;kt + Wk).

( 10 .50)

=l Дл я определения п роизвольных постоянных A iih· Ч' �t используем условие ортогональности собственных функций, которое и м еет вид [ 1 3) 1 70

� �L,

1 sl XJ;p (x ;; X ;;k (xi;) dxi ;) = {

k .f: р ; c onst при k = p . о п ри

� � FJ ; J= l i = l о И л и , подставл яя в м есто Хн р и Хн1{ их з н ач е н и я , получ и м : j

=

{

О при k .f: р , c oпs t п ри k = р .

( 1 0. 50")

( 10 5 1 ) ·

Используя н а ч альные условия ( 1 0.42 ) из выр ажения ( 1 0. 50) , П олу­ ч и м р аве н ства :

� A 1;k s i n (шkx1;!a1; +
g1; =

k= l

j = 1 , 2 , . . . , N,

i = 1, 2, . . . , n 1 ,

� А1;11 ( �11 co s Wk - bk s i n Wп) sin ( шkx1;!a1i +
k= l

j = 1 ,2, . . . N ,

,

( 10.52)

( 1 0.53)

i = 1 2 . . . , n1• ,

,

Как и в случ ае однониточного трубопровода, из выр ажения ( 1 0.53) и меем : ( 10.54) Умнож им ( 10. 52) на Fj/ AJip s iп (шpx1;ia1i +
е м л евую

лучи м :

и

пр авую ч а сти

� S' AiJp s in (шрх1;!а1i 'fJip) j k= l А Ji k sin (� х Ji + ер 1;11 ) s i n ф11dх Ji • aJ ; i = 1 ,2, . . . , n 1 • j = 1 , 2, . . . [.

00

= J ; F

полученного р а венств а от О до l i. По­

+

о

Х

Х

, N,

Сум м и р уя л евые и п р а в ы е ч асти приве д е и ной системы ур авнен ий н у ч итыва я соотно шение ( 1 0. 5 1 ) , получи м :

17I

( 10. 55 )

Как и в случ а е однониточного трубопровода, н а йдем связь м ежду коэф ф ициент а м и Ajil< и A 1 1 k. Для этой цели , к а к указ ывалось р а­ нее, целесоо б р азно и спользовать условие непрерывности давления. Т а к к а к эти условия сох р а н яются как дл я однониточ ного, так и д.1 я р азве rвл енного трубопроводов, то ясно, что связь м ежду ко­ эффицпен rа м и A ji k и A l l k будет и м еть вид ( 1 0.34 ) , т. е . ( 10.56) AJ ik = A l l kR;ik· :К оэфф ициент Rjik определ яется фор мулой вида ( 1 0.35) , получ ае­ мой в р езулБт ате «сквозного» прохода слож ной систе м ы от сечения Xt t = O до требуемого сечения р ассм атриваемой систем ы , т. е . T= j a = i- 1

пп

cos

Т= 1 а= 1 Rj i k = ____;;.____;:_

( :k

Та

l

Ta

+

CfJы) aн Fji

( 10.5 7)

____________

T= j a = i

П П

T = l r.t= 2

co s tfт a

k

R llk = 1 .

Используя соотношение ( 1 0.46) , и з ( 1 0.45) ветрудно получить выр ажения, о п р едел яющие вел и ч и ну коэффициента A t t k :

Ащ=

n· J

l � � R Jik Fji 1 J i gji siп ((J)kXji/aji + Cf}ik) dXji

N

1 = 1 i= 1 n· J N ?

о

� � R j;k F-1 Ji s in ч,·k J' sin2((J)kX]i/aj; + Cf}ik) dxJi j= 1

1=1

/.

о

Р аскрывая и нтегр алы и учитывая, что gi j = const, и м еем :

в

•

( 10.57' )

р ассм атрив аемом случ ае

-...... р

N

� j= l

1 72

ел 00 '-"'

Таким образом, р асход жидкости в 1 L - M п ростом трубопроводе сложной р а зветвл енной гидр авлической систе м ы определ яется р я­ дом ( 1 0.50) , в котором коэффициенты р а зложения A iik и 'l'�t опре­ дел яются по формул а м ( 1 0.54) , ( 1 0.58) . Для получения з а ко н а изменения давления в любом сечении nростого трубопровода воспользуемся у р а в нением движения ( 1 0. 1 ) . После проведения преобр азов а н и й а н алогичных преобр азо­ в а н п я м , продел а н н ы м при р ассмотр ении з адачи о гидр авлическом уда р е в однониточ ном сложном трубопроводе, получ и м : а·

� ..

A ··

· k �p (xj1, t) = ___!_!_ ехр ( - Ы) -1' [ b sin ( �kt + Wk ) + ook F j i k= 1

( 10. 59 ) 1 0 . 3. Г И Д Р А В Л И Ч ЕС К И й УДА Р В С И СТЕМАХ П ИТА Н И Я Л Р И КО Н ЕЧ Н О М В Р ЕМ Е Н И З А К Р Ы Т И Я КЛА П А Н А

Р ассмотр и м з адачу о гидр авл ическом уда р е в сложных трубо­ проводны х систем ах в бол ее о бщей пост а новке, когда з а кр ытие кл а п а н а происходит н е м гновенно, а за к а ко й-то промежуток вре­ мени. Дл я точного решения т а кой з адачи н еобходим о совместно р е ш ать ур авнения неуст а новившего движения ж идкости с уравне­ н и я м и , описывающи м и процесс з а кр ытия кл а п а н а . Ясно, что в об­ щем случ а е а н алитическое решение т а кой з адачи п р а ктически не­ воз можно, т а к к а к гр аничные условия могут и меть сложный вид. Поэто м у р а <:смотр и м случ а й , при котором в концевом сечении р ас­ ход или давление изменяются по з а кону, з ад а н ному в виде какой­ т о функции, з ависящей от времени. Решение такой з адачи пред­ ставл яет о п р еделенный тео р етический и нтерес, а в некоторых слу­ ч а я х может б ыть получ е н а пол е з н а я и нфор м а ция, необходи м а я п р и л р а ктических р а счетах гидр авл ических систем. а ) Од н о нито чный тру боп р овод

Р ассмотр и м однониточ н ы й трубопровод, в концевых сечениях Iшторого уста новлены агрегаты, изменяющие р а сход и давление таким обр азом, что и м еют м есто гр а ни ч н ые услов и я вида: В дG 1 (О ' t) + 0 1 ( О , t) = f 1 ( t , ( 10.60) 1 )· дх1 В дО п (l n , t ) + О (l ( 10.6 1 ) n n n • i) = jn (i) дхп 1

1

•

Ясно, что пр п � 1 � n-+ oo в концев ых сечениях однониточного тру­ бопровода давление з адано в виде известных функций времени ; n р и � 1 �n-+0 - з адано и з м енение р асхода. П усть н а ч а л ьные усдовия з ад а н ы в виде : =

=

0 1 (х 1 , 0) = Ф1 (х 1) ;

( 1 0. 62 ) 1 73

-д_П-'-;_,_( х--';-'-,""""' о>:... - 0...... , (х , ) ' дt

( 10.63)

_

i = 1 , 2 , 3 , . . . , N,

i = 1 , 2, 3 , . . . , n j .

Тогда дл я о пределения вида функции G ; (x; , t ) необходимо проин­ тегр ировать систему уравнений ( 1 0.5) при граничных усл ови я х ( 1 0.60) . . . ( 1 0. 6 1 ) , условия совм естно<;ти ( 1 0. 1 5 ) . . . ( 1 0. 1 6) и н а ч а .1ь­ ных условиях ( 1 0.62) . . . ( 1 0.63) . Т а к к а к гр а ничные условия ( 1 0.60) . . . ( 1 0.6 1 ) - не о д н ор од ные , то р ассм атр и в аемую з адачу нельзя решить методом р азделения пере­ менных. Согласно этому м етоду г р а н и ч н ы е у с л о ви я ( 1 0.60) ... ( 1 0. 6 1 ) необходи м о п р ивести к однородному виду т а к и м образом, чтобы условия совместности ( 1 0. 1 5) . . . ( 1 0. 1 6) остал ись однородн ы м и . С этой цел ью введем новую функцию и; ( х;, t ) , к о т о р а я удовл етво­ р яет следующим условиям : G 1 (х 1 , t ) - F 1 ( х 1 ) Е1 ( t ); u ; (x ; , i) = O; (x;, t) , i = 2, 3, . . . , n - 1 ; ( 1 0.64) Оп ( Хп , i ) - Fп (Хп ) Еп (i) .

1

Фун кци и F1 (xi ) , Е1 ( t ) , Fn (Xn ) , Еп ( t ) должны быть выбр а н ы таким образом, чтобы гр аничные условия и условия совместности отно­ сительно функции и; ( х;, t ) и м ел и вид: t) � 1 дщ + и 1 (0, i ) = O ; ( 10.65) 3

•n

�о,

Х!

дип U n t ) дх п

•

+ и п ( ln, i ) = О;

и1 (l1, i) = и 1+ 1 (0, t);

а�l ди; (l; , t ) = a; +I F; + I F; дХ J

( 10. 66) ( 10 . 67)

ди; +I (0 , t ) дх ; + l

( 10. 68)

i = 1 , 2, . . . , n - 1 .

Нетрудно убедиться, что таки м и функция м и явл яются

F1 (xl) = (xi - l 1 )2;

( 1 0.69 )

Fn (хп ) = х � ; Е1 (1) = / 1 (i ) ;

( 1 0. 70) ( 10. 7 1 )

Еп ( i ) = - fп (t) .!.E...

Pn

•

( 10 . 72)

Тогда систем а уравнений ( 1 0. 1 1 ) относительно функций и; ( х; , t) примет вид : ( д2u ; (x ; , t) + 2Ь ди ; (х; , t) а;ry д 2и ; ( хо; , t) + пr "" ; х; , i) , ( 10. 7 3) дt дt 2 дх; 1 74

i = 1 , 2, 3, . . . , n ,

г де

aiF1 (х1)Е1 (i) - F1 {х1) Ё 1 (t ) - 2 bF1 (х1) Е1 (i), i = 1 ;

О, i = '2, 3 , . . . , n - 1 ;

a;1Fn (хп) En (t) - Fn (хп ) Ё (t) - 2bFn (хп) Е n (t) , i = n . Из

выр ажений ( 1 0.62 ) , ( 1 0.63) и ( 1 0.64 )

сл едует, что н а ч альные

услов и я дл я функций и; (х ;, t ) и м еют вид:

ди: (х; , О) дt

1

Ф1 (х1 ) - F1 (хд Е 1 (0 ), i = 1 ; Ф; (Х;), i = 2, 3 , . . . , n - 1 ; Ф п (хп) - Fп ( Хп) En (0), i = n ;

!21 (x 1 ) - F1 (x1) E1 ( 0) , i = 1 ; 2; (х ; ), i = 2, 3 , . . . , n - 1 ; !Jп (Хп) - Fп (хп) Еп ( О) , i = n .

( 10.75 )

( 10.76 )

Та1ш м обр азом, дл я отыска н и я вида функции и; ( х;, t) необходи мо прои нтегриров ать систему н еоднородных ур авнений ( 1 0.73) п р и одноро;щых гр анич ных условиях ( 1 0.65) . . . ( 1 0.68) и н а ч альных ус­ ловиях ( 1 0.75) . . . ( 1 0.76) . П р едставим искомую функцию и; (xi, t ) в виде сумм ы двух Н О· В Ы Х функций Vi (Xi, t) И Wi (Xi, t ) , Т. е.

( 10.77) U; (xi , i) = V i ( X;, t) + �Vi (xi, i) . Тогда дл я отыскания функций Vi (Xi, t) и Wi ( Xi , t) необходимо р е· шить следующие две задачи.

Н айти решение системы уравнений : д2Vi (xi , t ) дt2

+

2Ь

Задача 1

дVi (X ; , t ) дt

i = l , 2, 3,

п ри граничных условиях

�1 �n

д V1 (0 , t) дх 1 д Vn U п , t ) дхп

+

=

. . . , n,

2 д2Vi (x , , t ) дхl�

аi

v1 (О , t) = о ,

+ Vп U п , t) = O ,

у словиях совместнос ти

( 10. 78)

( 10 . 79) (1 0 . 80) (10.81) ( 1 0 . 82)

i = l , 2, 3, .

.., n- l

1 75

и

н а ч а л ьн ы х

условиях

V ; (х; , О ) =

Ф; ( xi ) - 1 i ( x i ) ,

дV; (х ; , О)

дt

1

( 1 0 . 83) ( 1 0 . 84)

= 0,

i = l , 2, 3, . . . , n,

r.J.e

f ; ( x; ) =

( О ) прп i = 1 ; при i = 2,3, . . , n - 1; О : f п (Хп) Еп ( О ) прп 1 = n . Fr ( xr ) Er

Задача 1 1

Найти решение системы уравнени й дW ( x ; , t ) д2W 1 ( x ; , t ) + 2Ь дt 2

дt

=

? д2W; (X i , t ) + \f i дх �

а -;

i = l , 2, 3,

• . .

'

, n.

(х 1 ,

t) ,

( 1 0 . 85)

при граничных усJювиях ( 1 0 . 86) ( 1 0 . 87}

условиях сопряжения ( 1 0 . 88)

а�'

( 1 0 . 89) i = l , 2, 3, . . . , n - 1

и начальных условиях W ; (х1 , О ) =

О;

( 1 0 . 90 )

дW 1 (х 1 , О )

.;.. . -'= Q 1 ( x ;) - 1 1 ( x;) , _..;...:._.;. дt

где

(10.91)

F 1 (xt ) F1 (О) при i = 1 ; , n - 1; О при i = 2 , 3 , F п (Х п) Еп ( О) при i = n . . . •

Решим сначала з адачу I . В силу однородности граничных уело· вий и иде (пичности исходн ы х уравнений порядок решения р ассм ат­ риваемой з адачи не отличается от приведеиной в р азд. 1 0.2. П о­ этом у

� exp ( - Ы) A;k (:: x1+ 9ik) s i n ( �J + Wk), QO

\t'1 (x1, t) = 176

k= l

sin

( 1 0.92)

i = 1 , �,3, . . . , n . Собственн ые числ а W�< оп р едел я ются системой ур авнений ( 1 0.22 ) . Та к ка к г р а н и ч н ы е условия ( 1 0.79) . . . ( 1 0.80) более общие, ч е м гр а нич н ы е услови я ( 1 0. 1 4 ) и ( 1 0. 1 7 ) , т о посто я н н ы е q:; 1 и q; " , в ходя­ щие в ур авнение ( 1 0.22 ) , будут и м еть несколько другой вид по­ ср авнен и ю с ср 1 и <р п , п р и в едеи ными в р азд. 1 0.2. В результате под­ ста новки ( 1 0.92 ) в ( 1 0.79) и ( 1 0.80) нетрудно получить: ( 1 0 . 93 } ( 1 0. 94) Далее, т а к к а к н а ч альное условие ( 1 0.84) сов п адает с условием ( 1 0. 1 3) , ТО 1Jf li о п р едеЛ ИТСЯ ур авнением ( 1 0.29) , Т. е. ct g Чfli = b/�lt · П ро цедур а опред еления коэффициента A 1 li остается т а кой же . Од­ н а ко, в р а ссм атр и в аемой з адаче п е р в а я ч а сть услов и я ( 1 0.83) н е· я вл яется постоянной вел ич и ной, поэтому дл я о п р еделени я А 1 п нельзя воспользов аться фор мулой ( 1 0.36) . П р авда, нетрудно про ­ следить по ( 1 0.27 ) . . . ( 1 0. 3 1 ) , что дл я решаемой з адачи фун кции Ф; ( х ; ) -!; (х; ) войдут под и нтеграл левой ч асти р авенства ( 1 0.3 1 ) . Поэтому для A ;li получ и м в ы р ажение

( 1 0 . 95)

i = 1 , 2, 3, . . . , n , х ) x = е i гд Hi (xJ Ф ( ; - Ji ( J. Таким о б р азо м , функци я Vi ( xi, t) определен а пол ностью. П ер ейдем тепер ь к отыска н и ю функции Wi (xi, t) . П р едставим решение задачи ( 1 0.85) ... ( 1 0.9 1 ) в виде ряда :

W1 ( xi , i) =

� Tk (t) X ik (xJ ,

k� l

( 1 0 . 96 )

i = 1 , 2, 3, . . . , n . Та к I<а к г р а н и ч н ы е условия з адачи I и з адачи I I оди н а ковые, то ф у н кци я W i ( x i, t ) ( бл а года р я функции X;/i ( xi ) ) автом атически удовл етвор яет г р а н и ч н ы м условиям. В ы берем функцию Tk ( t ) так, чтобы удовлетворялись н ач альные условия ( 1 0.90) , а р яд ( 1 0.96) являлся решением систе м ы ур " авне­ ни й ( 1 0.85) . Для этого р азложим фующ ию ЧГ , (хi, t ) в р яд по соб· ственным функци я м xik (xi ) ' т . е.

IJ!'i (xi , i) = � Ck (t ) Xik (x; ) , k� l

( 10. 97) 1 77

i = 1 , 2, 3 ,

. . . •

fl .

д .1 я о п р ед е л е н и я коэфф и rш ентов С1, ( i ) 1 1 с п о .1 ь з у е м условие ортого­ н а.rr ьности с о б ст в е н н ы х ф у н к ц п й ( 1 0.26) . Умнож и м р а в енство

( 1 0 .97) н a Fi 1 X;p ( х ; ) d x; и п р о и н те г р и р уе УI .1 евую и п р а в у ю ч а сти от О до l;. Д ал ее, суУI Уi ируя п р а в ы е п л е в ы е ч асти полученной с и­ сте :.t ы ур а в не н и й и у ч и т ы в а я ( 1 0. 2 6 ) , юr ее:-1 :

( 1 0 .9 8)

Подста в и м ( 1 0.96) в исходную систе :v� у ур авнений ( 1 0.85) и , учиты в а я ( 1 0.97) , получ и м 11 -t 2Ь -X Тk + Сk (f ) Х ik (Х; ) 2 - Х ik ( Х; = ik ( Х ; ) -

ddtT11

dd2Ti2

) d2X;dx;k (x; )

•

i = 1 , 2, З, . . . , п .

2 2 Дал ее , у чит ы вая, что a ; X ; k (x ;) IX ;11 ( xJ = - ш11 , •

dd2Tk+2b t ddtT11

н а ходи м :

щ Т + � �� = С11 ( 1 ) .

( 1 0 . 99 )

Ка к известно, о б щее р ешение ур авнения ( 1 0.99) можно п р едставить виде

в

Т11 = В11 е х р (

2

Ы ) s i п (; 11t + D11) + Э к ( t ) ,

� �� = V ш� - Ь ; 8 11 , Dп - произвольные посто янные, опр едел яем м ы е н а ч ал ь н ы м и условия м и ; Э k ( t ) - ч астное решение ур авнения ( 1 0.99) . В и д ф унк ц и и Э k ( t ) нетрудно н а йти, и с пользу я , н а п р и мер, м ета л в а р и а ци и п роизвольных постоя н н ы х. Т а к и м о б р азом : где

-

I Х;11 (х;) [ 811 ех р ( - Ы) s i n (;11t + IJ11) + Э11 ( t)] , 00

W; (х; , t) =

k= l

( 1 0. 100)

i = 1 , 2, 3, . . , n. Испол ьзуя н а ч альные условия ( 1 0.90) . . . ( 1 0.9 1 ) , получ и м р авенств а : .

_I X;11 (x ) [ B11 s i п D11 + Э 11 (0)j = 0 ; 00

k= I

;

( 1 0 . 10 1 )

� X;11 (x д [ B11 (;11 cos D11 - b11 s i n D11) + dЭ��О) ] = Qt (xt) - ft (Xt), 00

k= l

1 78

i = 1 , 2, 3, . . . , n.

( 10. 102)

Из уравнени я ( 1 0. 1 0 1 ) н а ходи м :

Bll =

эk ( О )

( 10. 103}

s i п Dk

Произвол ьную постоя н ную Dk н а йдем и з условий ортогональности СОбСТВе Н Н Ы Х фуН КЦИ Й Xil, (Xi ) . Дл я ЭТОГО УМ НОЖ И М л евую И п р авую 1 ч асти уравнения ( 1 0 . 1 02 ) на F"l Х ; R (х ;) rlx; и п р о и нтегр и руем от О до l j . Дал 2с, уч иты в а я соотношение ( 1 0.26) , получ и м : ( . d Эk ( О) вk ; k COS Dk - ьk S I П D. k ) + n

�

i= l

F"j 1 J ' [ Q ; (xi ) - i ; (х ;)] /.

о

n

� Fi l i= l

dt

X ;k (х;) dx ;

1·

S' x 7k (xi) dx; о

Ис пол ь з уя соотношение ( 1 0. 1 03 ) , н а ходи м : 1 - d Эk ( O ) = е k c tg Dk Ь + эk ( О)

dt

1 Эk (О) Х

( 10. 104)

... U; ( X;, t) = � ехр ( - Ьt) A;k sin ( :: x1 + cpik) s in (�i + Фk) +

Т а ким обр азом , из выр ажений функция

( 1 0.92) и ( 10.00) следует, что

.. + � A;k sin ( :: х; + cp;k) [Bk exp ( - - bt) sin (;i + Dk) + Эk (t)] . k= l

k= l

З н а я функцию

G;

щ

( 10. 105 )

(Xi, t ) , нетрудно пе р е й т и к искомой функции, т. е.

l u1 (x1 , t ) + F1 (x1) E 1 (t ) п р и (х; , f) = и ; (х; , t) при i 2,3, .(. . , n Ип (Хп , t) + Fп (Хп) Еп t ) п ри =

i= l; 1; . l = n.

( 1 0. 106)

Полученные уравнения определ яют р а сход жидкости в i-м п ростом трубопроводе. Д алее, и спол ьзуя уравнение ( 1 0 .38) , нетрудно оп­ р едешпь ве.1 ич и ну дав.1 е н и я ( 10. 1 07) р, ( х; , t) 1 79

б) Р азветвленны е т ру боп р оводы Пор ядок получения р а счетны х уравнений дл я гидр авлического уда р а в сложных р азветвле н н ы х трубопровод а х не отл и ч а ется от порядка решения т а кой же з адачи дл я сложного однониточ ного трубопровод а . П усть и м еется с.'lож н а я р азветвле н н а я систе м а трубопроводов, -состоя щая и з N однониточн ы х трубопроводов. В каждо м однони­ точ ном трубопроводе n j простых. К а к и р а нее, п ростой трубопро­ вод будем обознач ать и ндексом ji, где j = 1, 2, 3, . . . , Л, . . . , N - но­ м е р а ответвлен и й ; i = 1 , 2, 3, . . . , nj - номер а п ростых трубопрово­ дов , в ходящих в ответвление; Л -номер а туп и ковых ответвл ени й . П усть в кон ц евых сечения х туп и ковых ответвл ений уста новл е н ы .агрегаты, и з м еняющие р асход и давл ение т а к и м о б р а з о м , ч то и м е­ ют м есто гр а н и ч н ы е услови я в ид а

� 11 д О нх( О , t ) + О 11 ( О ' t) = f 11 (t) '· д н д О Л п (l лп ' t ) �л + Олп (lдn • t ) = fлп (t) . п дх>.п

( 10. 1 08) ( 10. 1 09)

Кроме того, в м естах стык а п ростых трубопроводов и в узл ах р аз ­ ветвле н и я в ы полн я ются условия ( 1 0.44 ) . . . ( 1 0.47) . Пусть нач альные условия з а д а н ы в виде

ojl (x jl• O) = Фj i (Xj;); ·дaJi ( xJ i • О) дt j = 1 , 2, 3, . . . , N , i = 1 , 2,3, . . . , n1 .

( 10. 1 10) ( 10. 1 1 1 )

Тогда дл я решени я поставленной з адачи необходимо н а йт и р е ш е­ ние систе м ы уравнений ( 1 0.4 1 ) п р и гр аничных услов и я х ( 1 0. 1 08 ) · . . ( 1 0. 1 09) , условиях совместност и ( 1 0.44) .. . ( 1 0.47) и н а ч альных усло­ виях ( 1 0. 1 1 0) . .. ( 1 0. 1 1 1 ) . В силу неоднородности гр а н и ч н ы х условий поставл е нную з ада ­ ч у нельзя р е ш ать м етодом р азделения переменных. П р иведем гр а ­ нич н ы е услови я ( 1 0. 1 08) . . . ( 1 0. 1 09 ) к однородным . Дл я этого ( ка к и в случ а е а ) , в в едем следующую функци ю :

1

011 ( х�1 , t ) - F11 (х11 ) Е1 1 (t ) , Uj i ( xji • t ) = ojl ( xj i • t ) , i = 2 , 3 , . . . , n , , j = 1 , 2, . . . , N, (j.f=Л) ( 10. 1 1 2) Олп (Хдn• t) - F;.. n (Х;.. п ) Елп ( t ). Ф v н к ц ии F 1 1 (х11) , Е 1 1 (t), Fлп ( х лп ) . Елп (t} дол ж н ы б ьrть в ы б р а ны т а к , ч то б ы условия сопряжен и я относительно функции Щi (Xji, t) сохр а н ил и в rц ( 1 0.44 ) . . . ( 1 0.47) , а гр а ни ч н ы е услови я ( 1 0. 1 00 ) . .. ( 1 0. 1 09) относи те.'I ЫЮ то й ж е фун кции б ьш и однородны м и , т . е. 'j

1'11

1 80

д ин (0 ' t) дхн

+ и11 ( о , t ) = о ;

�л п

ди лп ( l лп • t ) дx l.n

'

Т

Uлп (lлп. f )

U ;; (l j i • f ) = U j ( i+ 1 )

=

0

( 10. 1 1 3) ,

(0, f);

2 дu i( i + l ) ( 0 , t) - aiO + I > д х j( i + l) F j { i+l) j = 1 , 2 , 3, . . . , N , i = 1 , 2, 3, . . . , n ; - 1 , j -q J=• дu j; (l j; , t )

�

J=•

а�1

=-

U j n (lin• f) =

( 1 0. 1 1 4)

� ll j t ( O , t),

( 10. 1 15)

j= •

ди ,1 (О , t ) ____,.:._ ..._

Здесь, как и в случ а е м гновенного з акрытия кл а па н а , в , б - номер а однон и точ н ых трубопроводов, входящих в уз ел р азветвле ни я ; v , 11 - номер а однон и точ н ы х трубопроводов, в ыходящих и з узл а р аз ­ ветвл ения. Нетрудно убедиться, ч то дл я выполнения услови й ( 1 0. 1 1 3) ( 1 0. 1 1 5) необходимо, что б ы

..•

Fн (хн) = (хн - Zн )2 ;

( 1 0. 1 1 6)

Fлп (Хлп) = х �п;

( 10. 1 1 7)

E11 (i) = - /11 (t) ; lп Fлп (i) = - fл п (t) л �Л п

( 10. 1 18) ( 1 0. 1 1 9 )

·

Тогд а относительно ф ун к ц и и щ; (Хj;, t ) систем а ур а внений ( 1 0.4 1 ) з а п и шется в виде д2uj; (Xj; , t ) дt 2

+ Ь диj; (Xj; , 2 дt

a� · -a2 uj; (x j ; , t ) · + \l!" т•.. ( x 1·" 11 дх � l-

t)

j = 1 , 2, 3, . . , N , .

где

J i = 1 , 2 ,3, . . . , n ; ,

t)

•

( 10. 1 20 )

2 .. а нF11 ( х11 ) Е11 (t) - F11 ( х 11) Е11 (t) - 2 bF11 (x11) F11 (t) ; О, i = 2 , 3 , . . . . n1 ; j = 2 , 3 , . . . , N (j :f l.); а �,i\п (Хлп) Ел п ( i ) - F).п(Хлп) Fлп (t) - 2 ЬFлп (Хлп) Елп (t ). ••

•

( 10. 1 2 1 ) 181

Зде сь

F ( _ d2 F ).n (Х л п ) l.n Х1.п ) -

- d2F1 1 (х 1 1 ) • F Н ( Хн ) -

•

d х 2н

d Хл2 п

d2Е л п ( t ) Ё н ( t) = d 2E 1 1 ( t) '. Ёл п (t) = t2 t2 d

Н а ч альные

услов и я

Щi (хн , t ) п р и мут вид : UJ; ( Xj ;, O) =

дU} i (Xj; ,

О)

дt

гд

е

F

н (О)

=

1 1

d

( 1 0. 1 00) . . . ( 1 0. 1 0 1 )

относительно

5!_�

Ф н (хн) - Fн (хн) Е н (0) , j = 1 , i = 1 ; Ф11 (х 1 ;) , i = 2,3, . . . , n ; j = 2, � · · • N_ 1..) , ::_ , Ф лп (Х лп) - Fлп (Хлп) Елп l О) , J - A , t - n , Qн ( х11) - Fн (хн) Ён ( О) , j = 1 , i = 1 , Qu (xii), i = 2,3, . . . , n ; j = 2, 3 , . . . , N (j f=Л) ,

gлп (Хлп) - Fлп (Хлп) Йлп (О), j = A , i

dЕн (О) ; Ё л п ( О) dt

d Елп (О) dt

=

функ ц и и

( 10. 1 22)

( 1 0. 1 23)

n,

Дл я о тыскания вида функ ц и и Щi (Xji, t ) н еоходимо п р о интегр и р о ­ в ать неоднородн ую систему ур а в нений ( 1 0. 1 20) пр и однородны х гр а н и ч н ых условиях ( 1 0. 1 1 3) . . . ( 1 0. 1 1 5) и н а ч альных услов и я х

( 1 0. 1 22 ) . . . ( 1 0. 1 23) .

П р едстав и м фун к ц и ю Uji (Xii• t ) в виде : ( 10. 1 24) U j ; (X jj , i) = Vji (Xji • t) + W ]i (Xji • t) . Ф унк ц и ю Vii (xii• t) в ыберем та кой, ч тобы о н а удовлетворял а си­ стеме ур авнени й : д2VJi (Xj; , t ) + д Vj; (xj; , t ) , t) = а 12 1. д2Vj; (xj; 2Ь ( 1 О . l 2Б) �.

дt2

дt

j = 1, 2, 3, . . . , N,

дх J l

'

i = 1 , 2 , 3 , . . . , n1

пр и следующих гр аничных и н а ч аль н ых условиях : r.�

r-1 1 �лп

2

д Vн ( 0 , t) - 0 ·· - V н (О . t) дх н

дVл п ( l л п • t ) - Vлп Р·лп • t ) = 0. д хл п V 1 ; (L1 ; , t) = Vю+ I> (О, t );

aji д V j; { l j; , t ) Fn дх J ; 1 82

( 10. 126)

j = 1 , 2 , 3, . . . , 1V ,

д VJ(i+ l) ( 0 , t ) дх J ( i + l ) i = 1 , 2 , 3, . . . , n1 - 1 ;

aJU+l> F IO+l>

( 1 0. 1 27 )

j= B

.I

j= E

a; n

д V, n ( l e n ' t )

F, ,z

дх, п дV

� V j l ( 0 , t),

,1

j= v

a� n

=...=

(О , t )

дx .t

=

д V j ; (X f ; , О )

. . .

(l ;,n '

дVа п

Fo n

t)

dxon

;

av." 1

а 1

(О , t)

= · - --'-'' --

д х 11 1

Fт, 1

( 10 1 2 9 )

О,

дt

где

J -q

V j n (l1 11 , t) =

.

F 11 ( х1 1) Е 11 (О ) ; О , i = 2 , 3 , . . . , n ; j = 2,3, . . . , N (j f= Л); Fлп (Хлп) Е лп (0) .

Тогд а функция Wii (Xji, t ) должна нений: д2Wj; (Xj; , t )

+

д�

b дWJi (X j; , t )

2

д�

j= 1,

2

,

� · д2 WJ i (Xj ; ;t ) = aJ 2

l

3 , . . . N,

системе ур ав -

удовлетвор ять

�f i

+W ( ii

xi i • t ) ,

� о -

i = 1 , 2, 3 , . . . n1

nр и сл едующих н а ч альных и граничн ых услови ях:

�1 1

д Wн ( О , t )

__]_ 1

дхн

W1; ( l 1 ; , t)

aj ;

дW j ; (lj; , дх j; Fj ;

t)

=

=

j = 1 , 2, 3, . . . , N ,

\V 11 (О '

J= •

=

д ie:7• 11 (1. 11 , t )

Fв n

дх. п

а� 1

дW ,1

i= 1,

(0 , t )

f) =

=

___;с:..,___

_

t) ;

a J U + t > д WJ (i+ I > ( 0 , t ) дxj( i + ! )

FJ U + l )

2,

( 10 . 1 3 1)

( 10. 1 32)

3 , . . . , n1 - 1 ;

j=q �\7 j 11 ( l ; 11 ,

а;11

--

'

Wю+ t > (0,

j= l

.I

t) - О ·

..

� Wj t (O , f) ;

j=v

.=

а�11

Fм

дW3 11 ( l 3 11 , t)

qх м

( 1 0. 1 33) 1 83

( 1 0. 1 34}

дW j ; (X ji , O) дt

j = 1 , 2, . . . , N, i = 1 , 2, 3, . . . , n 1., I 1 , (x1;) =

1

, i = 2,3� . . . ,Оn ; j -= 2 , 3 , . . . , N Fн ); О п (хн) Fл (Х л п )Ен Ел п( (0).

(j j: Л) ;

В силу однородности г р а н и ч н ы х условий з ад а ч и ( 1 0. 1 24 ) . . . ( 1 0. 1 29) ф у н к ц и ю Vн ( xJi, t ) н етрудно н а йти, используя м етод р аздед ения: переменных. Анадогич ную з адачу м ы р е ш а д и п р и р ассмотр е н и и гидр авдиче;;кого уда р а в р азветвленных трубоп роводах п р и м гно­ венном з а к р ытии кл а п а н а . Поэто м у функция Vн (Xj;, t) будет и м еть. такой же вид, как и функция G i; (Xj;, t) [ с·м . формулу ( 1 0. 5 0 ) ]. т. е . 00

V Ji (х1; , t) = � е х р ( - Ы) A1;k s iп k= l

j = 1 , 2, 3, . . . , N ,

( �:k; х1 ; + Cf/Jik) s i n (�i + Wk ),

i = 1 , 2, 3 , . . . , n 1 •

( 1 0. 1 35 )

Здесь собственные числ а (t) k , ф азовые угл ы qJjik о п р едел яются в ре­ зул ьтате решения системы у р а в нений ( 1 0.49) . П роизвольные по­ сто я н н ы е A j i l' о п р едел яются с помощью формул ( 1 0. 56) ... ( 1 0.58) . а п р оизвол ь н ы е постоянные Ч'н - по ф о р м ул е ( 1 0.54) . В у к а з а н н ы х ф о р м ул а х ( 1 0. 1 36} Т а к и м о б р азо м , дл я решения о п р едел ить функцию Wн (хн , t ) ,

поставленной задачи оста.11ось т. е . р е шить систему ( 1 0. 1 30 ) ...

( 1 0. 1 34 ) . Решение систем ы ( 1 0. 1 30) . . . ( 1 0. 1 34 ) будем и с к ать

� Tk (t) Xлtt (x1;) .

в

виде :

00

W1; (x1; , t ) =

k= l

( 1 0. 1 37)

В силу того, что г р а н и ч н ые усл о в и я задачи ( 1 0. 1 30) .-. ( 1 0. 1 34 ) и з адач и ( 1 0. 1 25 ) . . . ( 1 0. 1 29) оди н а ковые, то функция WJi ( Xj i, t ) а вто­ м атически удовл етвор яет г р а н и ч н ы м условиям ( 1 0. 1 3 1 ) . . . ( 1 0. 1 33) . Остается н а йти функцию Т1, ( t ) , удовлетворяющую н а ч а л ь н ы м ус­ лови я м ( 1 0. 1 34 ) . Дл я этого р азлож и м в р яд по собств е н н ы м функ­ циям Xji.l{ ( Xj i } фу ющ и ю Ч'_;i (Xji , t ) , входя щую в п р ав ы е ч асти си­ сте м ы у р а внени й ( 1 0. 1 30) , т. е.

� c; (t) Xj:k (xj;) , 00

q;·j; (X ji • i) = 1 84

k�l

( 1 0. 1 38)

i = 1 , 2 , 3, . . . , n i .

j = 1 , 2,3, . . . , N ,

Коэ ф ф и циенты р азложения С,,' ( t ) н а йдем из условия ортогональ­ носпl собстВеННЫХ ф у н к ц и й X.iil< (Х.н ) . С ЭТОЙ це,'IЬЮ УМНОЖИМ р а­ в еНСТВО ( 1 0. 1 38 ) н а Fj/X j ;p (xi;) d xii 11 про и н тегр и руем от О до l.i i · П о.1 у ч и м :

l j;

S

(j

Ч! ji •

-1 � � j; -1 (xji , t) Fj i xjip(Xj;)dX ;; = � .\ Fji Ck (t) xjik (xji) .х j i p (X;;) dxji• k�1 r

'

о

j = 1 , 2, 3, . . . , N, i = 1 , 2, 3, . . . , n; . С ум м п руя левые и п р а в ы е ч асти полученной систем ы у р а в нений учиты в а я условие о р тогонал ьности ( 1 0. 50) , получ и м : ll j N l ·.

1 F ji J1' ч;· ji (Х ;; . t ) xji k (xji ) d xj i � � j� 1 i�l N

=�

о

l;

� С� (t) Fji 1 S XJ ;k (х ; ; ) dx nj

о

j�l i� 1·

Из ( 1 0. 1 39) имеем

C� (i) =

N

� FJ;1 .\ � i nj

l il

�1 i=1

о

=

;; ·

( 10. 139)

, l)fj; (xj; , t) Xj;k (-"ji) dxj;

l ji � � Fj; 1 J X];k (xj;) dxj; j=l i � 1 N

и

nj

( 10. 140)

о

П одст а в и м выр ажения ( 1 0 . 1 37 ) и ( 1 0. 1 38) в систему ' уравнений ( 1 0. 1 30 ) и , учиты в а я , что ·:x.iil, (XJi ) IXJii< (Xij} = -ffi�t 2 , получ и м :

d2 Tk 2 b d Tk + + w� Tk = C � (t) . dt2 dt

( 10. 1 4 1 )

К а к показано р а нее, уравнение ( 1 0. 1 40) и м еет р ешение:

( 10. 142) Tk ( i ) = B� ехр ( - Ьt) s i n ( ;kt + D�) - Э� (t) . З десь В"', D�t' - произвольные постоя нные; Э �t' ( t ) - ч астное р е ше­ ние ур а в нен и я ( 1 0. 1 30 ) . Подставляя ( 1 0. 1 42 ) в ( 1 0. 1 37 ) , и м еем :

Wi; (x i i , i) = � �

k� O

.

Xii k (xji) [ В� ехр ( - Ьf) s i n (; kt + D�) + Э� (t)] . ( 10. 143)

Дл я отыск а н и я п роизвольных пос rоянных B�t' и D�t' используем н а ­ ч альные условия для функции W.ii (XJi, t) . Подставим ( 1 0. 1 43) в ( 1 0. 1 34 ) . И м еем : 1 85

� �

k= 1

X1; k (xj i) [ B � s i п D� + Э� ( О)] = О,

( 10 . 1 44)

( 10. 14�)

= 91; (х1, ) - 1 ; 1 (х 1 ;).

,

Из первого у р а в н е н и я и м ее:-..1

э � ( О) Bk = - ---=­ s i n D�

( 10 . 1 4 6)

Используя условие ортого н а льности собствен ных функци й Xi i k (Xi; ) , нетр удно показ ать, что, к а к и в случ ае однониточного· трубопровода, произвол ь н а я посто я н н а я Dk' о п р едел яется форму­ лой (см. 1 0. 1 40 ) : ,

N

dD � --"--dt (О)

1

, ,� k c t g Dk = Ь + эk (О)

� � Fj/ s 1 = nj

l j;

x � J �l�i_ - �-� o

1

э� (О ) х

{9. j; ( X]i ) - lj; (Xj;) X];k ( X j ;)] dxj;

/ ·. 2 f}l Х Jik (X J ; ) dx]i F1; =l

N n} � ,, "'-' ""-�

.

_____________

}= 1 i

-1

( 10. 147)

о

Т а к и м о б р азом, из в ы р ажений ( 1 0. 1 24 ) , ( 1 0. 1 35 ) и ( 1 0. 1 43) следует, ч то функция Щ i ( хн, t) о п р едел яется соотношением :

и1; (х1; , t) =

k=1

s i n (�kt + Wk)

� Aiik sin (:� XJ; +
+

� ехр ( - Ьt) А Jik sin ( а�; х1; +
k= 1

Тогда согл асно

J

j = 1 , 2, 3 , . . . , N,

( 1 0. 1 1 2 )

.

i = 1 , 2, 3, . . ., n1 •

..

G н (хн , i) = u 11 (хн , t) + Fн (хн) Е н (t) ; О1; (х 1 ; , t) = и1; (х1; , t) i = 2 ,3, . , n ; j = 2,3, . . . , N (j =fl.);

+

( 10 . 148)

( 10. 1 49 )

Олп (Хлп • i ) = Uлn (Хлт t) + Fлп (Хлп) Елп (t).

Полученн ы е соотно ш е н и я о п р едел я ю т вел и ч и н у р а схода ж идкости в л ю б о м трубопроводе слож н о й р азветвл енной трубопроводной систем ы . Д а вл е н и е в .il юбo:\t ji- м т р у б о п роводе, как н в с.1 у ч ае м г но­ венного з а кр ытия кл а п а н а , о п р едел яется фор м ул о й ( 1 0.38) . 1 86

1 0.4. П Р И М Е Р Р А С Ч ЕТА Г И Д РА В Л И Ч Е С К О Г О УДА РА

В Т Р У Б О П Р О В ОД Е С Т У П И К О М

Р а с с м отр и м в кач естве п р и м е р а р асчет г и д р а в л и ческого уд а р а п о п р и веде и ной в ы ш е м етод и ке в трубо проводе с тупиковым отво­ дом ( р ис. 1 0. 1 ) . В первые в о п рос о вл и я н и и туп и ковых отводов н а вел и ч и н у гид­ р ав.1 и ч есiюго уда р а в трубоп роводной м а гистр ал и р ассм атр и в а л ­ ся Н . Е . Жуковским [39] . И м был получен коэффициент дл я оцен­ I Ш эффекта снижения уда р ного давJiения в трубопроводе с тупи­ I<О М . И нтерес к это м у вопросу н е осл а бевает и в н астоящее в р е м я. Известны р а боты [25] и д р . , посвященн ы е экспери м ентаJiьному ис­ следо в а н и ю гидр а в л и ч еского уда р а в трубопроводе с тупи ко м . Это объясн яется, по-види мому, п р а ктической в ажностью з адач и , а т ак­ ж е отсутствием ее а н а.1 и т ического решени я. В соответствии с п р иведе и н ы м в р азд. 1 0. 1 решением задачи о гидр авлическом уда р е в слож ном трубоп роводе давление и р ас­ ход в трубопроводах 1 1 , 2 1 и 31 ( р ис. 1 0. 1 ) о п р едел яются ур ав не­ н и я м и ( 1 0.50) и ( 1 0.59)

( 10. 150) где j = 1 , 2, 3 ; i = 1 . Собствен н ые ч и сJi а о п р едел яются ур авнением 6 = 1, v = 2 , 'fJ = 3, n= 1 , т. е . Fн

-- tg ан

(- l Ыk

ан

11

+

)

F21 <рн = -а 21

]),

мм

Jб, 1

Р и с . 1 0 . 1 . Геометрические р а з м е р ы трубоп ровода с туп и ко в ы м отводом

d,

мм

tg 921 + l ,, , м

l21, м

( 1 0.49) , в котором

-- tg 9зt . F31

аз!

( 1 0. 1 5 1 )

lJ,, м

15, 1 4 0,58 '1; 64 10,25

О ....,___,...,,.._

1 87

р,мпа

z,o 1,6 �2

v,.

- ? ...(\

2,'1-

1

�г ��-

�в

о,ч f)

�·

'--,)f!!!/i.

Г:"' 1

1

\1 \\

П.f/2

\:� 0,03

/

·.::;;t.

0,01 0. '

1]

'� 1 � 1 . i 1\ 1/ •/ '\, �\ i �l.1/ �

1

1

1

.--.. / '-'

1

(}

/)lj

O, tlli

0, 07

и

Рис. 10.2. rидрав.n и ч е с к и А удар в трубопроводе с 'I'YПIIKOBЫM отводом ( р ис . 1 0. 1 ) . дав.n е н и я : а - в с е ч е н и и х21 = 12 1 ; б - в с е ч е н и и х21 = 0 : в - в с е ч е н и и х31 = 1з, ; -- • -р а счет по формуле ( 1 0 . 1 40 ) (восемь ч л е нов р я д а ) ; м у л е ( 1 0 . 1 4 0 ) (тридцать п я т ь ч л е н о в р я д а )

Изменение

э�<спе р и м е нт � - - - р а счет по ф о р ­

где qJ н = n/2 - (трубопровод 1 1 открыт в сечении х1 1 = 0) ; f[:21 = n-ffikl2 1 /a2 1 - (трубопр о вод 2 1 з акрыт в сечении Х2 1 = l2 1 ) ; QJ3l = n-ffikl3 1 /aз 1 - ( трубопровод 3 1 закрыт в сечении Хз 1 = lз 1 ) . Постоянные Ajik находятся с помощью ( 1 0 . 58) A i ; k = A шRi i k •

188

соотношений

( 1 0. 56) . ..

( 10. 1 52)

(wklн _ 'fнk...:_)

Rш = 1 ; l<2 1 1l '= I-<ш

cos

a.:.;ll:.._

___

(.:::!!.. lн cos

__

т2Ik

)

cos + тнk а - а Fз1 Rз!k = R ! l k ___.:..:н'-------''- н c o s 'fзl k а зt Fн

( 1 0. 1 54}

( 10. 155)

Н а р и с . 1 0.2 п р и ведены р езультаты р асчета гидр авлического y.J. a p a в трубопроводной системе с тупи ковы м отводом ( с м . р и с . 1 0 . 1 ) п р и следующих и сходных д а н н ы х : а 1 1 = а 2 1 = а3 1 = 1 400 м/с, gl l = = g 2 1 , gзi Резул ьтаты р асчета с р а в н и в ались с экспери м енталь­ ными д а н н ы м и р аботы [25].

= О.

В заключение настоящей гла в ы необходимо отметить, что .при расчете гидро­ удара в сложных трубопроводах с помощью полученных зависимостей основные трудности возникают при определении спектра собственн ы х чисел. Однако при ­ менение п редла гаемого метода расчета часто оказываетс я выгоднее, чем м етода х а р актеристик или прямых, так как при пра вильно составленном алгоритме про­ цедура вычислени я собственн ы х ч исел н а ЭЦВМ требует сравнительно мало машинного времени ( н а п ример, при использовании ЭЦВМ «Минск-22» д.'I Я вы­ числени я десяти со бственных чисел в трубопроводной системе, состоящей из двадцати п ростых трубопроводов, затрачивалось около 15 м и н машинного времени) . Преим ущества предлагаемой м етодики особенно ощути м ы при проведении комплексных расчетов пневмогидросистем ы, когда проблем а определения спектра собственных частот и декрементов колебаний жидкости в трубопроводах пред­ ставляет самостоятельный интерес и, с.'lедовательно, при расчетах переходиого процесса явл яется решенной. И, н а конец, при расчете гидравлического уда р а в трубопроводных системах, в которых необходимо учитывать релаксационные я влени я в жидкости или м а ­ териале стенок трубы, предлагаемый метод, н а сколько н а м известно, я вдяется пока единств�нным.

Глава

11

В Ы Б О Р П А РА М Е Т Р О В С И СТЕМ Ы П И ТА Н И Я

Н а этапе проектной р а з р а ботки р а кет, предшествующем де­ тальной конструкторской р а з р а ботке, п р и о предел е н и и основ н ы х энер гетичеоких п а р а м етров р а кеты особенно в а жно п р а вильно оп­ р едел ить м а ссу основных систем и а грегатов р а кеты. К а к п р а в и­ ло, эти х а р а ктеристики определ яются н а основ а н и и опытных дан­ н ы х по р езультатам п р едшествующих р а з р а боток. П роекrн а я р а з р а ботка си сте м ы п и т а н и я двигател ей и пневмо­ гидр авлической систем ы р а кеты в цеJюм может производиться при н ал и ч и и о п р еделенных и сходных данных. В ы бор конструктивной схе м ы систе м ы пита н и я и элементов авто м а тики обычно производится с учетом и меющихся теор етиче­ ·с ких и экспери ментальных м атер и алов и данных статистики , а т а к­ ж е с учетом обеспечения в ысокой н адеж ности ее р а боты и м и н и ­ м альной м ассы р а кеты . Конструкция систе м ы п и т а н и я долж н а и м еть по воз можности м и н и м ал ьное кол ичество детале й . Там где это возможно нео б хо ­ димо испол ьзовать пол ностью р а нее р аз р а ботанные и провереиные эл ементы а в том атики. П р и р аз р а ботке схем ы системы пита н ия особое в ни м а ни е о б р а ­ щ а ют н а обеспечение в ысокой н адеж ности ее р а боты п р и всех воз­ мож ных небл а га п р и ятных услови ях. В I<асм ических л етател ь н ы х а п п а р ат а х п о в ы ш е н и е веро ятности безотказной р а боты систе м ы п и т а н и я достигается путем дубл и р ов а н и я ее элементов . С этой цел ью п роводится тщател ь н ы й а н ал и з н адежности систем ы пита­ ния и ее отде.т�ьных эл ем ентов . В результате та кого а н ал и з а выяв­ .т� я ются I<р и тические уч астки, дл я которых в н а и большей м е р е не­ обходимо дубл ирование. П ростота Iшнструкции явл яется г а р антией в ысокой н адежноспt систе м ы п и т а н и я . П ростота конструкции дости гается уменьшением кол и ч еств а элементов а в том атики в системе . Поэто м у схемы со­ в р е м е н н ы х ЖР Д стр ем ятся по воз м ож ности упрощать. Дви гатель­ ные установки р а кет «Тита н - ! » и «Титан-Зс» и меют близкие п а р а­ метр ы , но отл и ч а ются схем а м и . Код и чество элементов автом атики н а дву х ступенях р а кеты « Т и т а н- 1 » - 1 25 (на первой ступени 64, на второй - 6 1 ) , а д.ТJ я «Титан-Зс» - всего 30 (на первой ступени 1 90

п псв могидроси стс :-.ш 11 с е эл ементов в з н а ч 1 1тел ь н о й м ере о п р едел яется н а з н а ч е н а с ы л с т а т е .1 ь ­ н о rо а п п а р а та. Из о п ы та п р о е ктиров а н и я п нев м оrидр осii стс�I и з ­ вестно, ч т о р а з м ер ы трубопроводов, и х кол ичество, соста в а р :v� ату ­ р ы и м а сса ар :\! ат у р ы 1 1 узл о в авто м а ги к и в з н а ч и тел ьной с т е п е н и з а в и с ят от совершенств а в ы б р а нной схе м ы и к о м п о н о в 1ш систе:-.1 ы п и т а н и я , а т а кже от ква лифи кации конструкто р а , р аз р а бота в шего эти уз.1 ы . С п р оекти р о в ать. систе::v1 у п и т а н и я - это з н а ч и т : в ы брать ее п р и н ци п и ал ьную и конструктивную схем ы ; уста новить опти м ал ь ­ н ы е р а бочие и конструкти в н ы е п а р а м етры систе м ы ; произвести н е ­ о бходи м ы е р а счеты геом етрически х и эксплуатационных х а р а кте­ р исти к систем ы ; р а ссчитать гидр авлические сопротивл ения м аги­ стр алей и площади п роходны х сечений дросселей и т. д.; р ассч и ­ т ать ди а м ет р ы р асходн ы х трубопроводо в ; о п р еделить основные п а р а метры з а бо р н ы х устройств ; определ ить объемы топл и в н ы х б а ков ; д а в л е н и е жидкости п р и гидроуд а р е ; в ы б р ать м атери ал ы дл я и з готовл ен и я узл ов и агр егатов систем п и т а ни я ; в ы б р ать и обоснов ать конструкти в н ы е схе м ы отдельных эл ементов систе м ы и р а ссчитать их н а проч ность ; о п р еделить м ассу систе м ы пита н и я . Т и п и конструкция систе м ы н аддува и в и д используемого р а бочего тел а для н аддув а б а ков опр еделенным о б р а зом обусловли вают конструкцию и м ассу си стем ы п итани я . Систем а н аддув а до.1жна быть эконом ичной в р а боте и п р и п ро­ чих р а в н ы х усдовиях обеспечивать н а илучшие х а р а ктер и стики ле­ тател ьного а п п ар ат а . Е с л и м атери ал в ы б р а н , т о м асса топл и в ного б а к а о п р едел яется в ел и ч и ной давления н аддув а . Уменьшение м ассы б а к а можно до­ стичь путем ум еньшени я вел и ч и н ы давления н аддув а , есл и , конеч­ но, удовл е rворяются усл о в и я ди н а м и ч еской устойчивости стенок бака и потр ебное давление топл и в а н а входе в н а сос. Зная вел и ч и ­ ну п о т е р ь давдени я О.р, м о ж н о о п р едел ить вел и ч и н у давлени я н ад­ дув а то пливных б а ко в и р ассч итать н а проч ность топл и в н ы е б а к и , трубопроводы и � п . П роектируя гидр о п н е в м осистем ы , необход и м о р ассчитыв ать гид р а в.1ичес1ш е сопротивл е н и я м а гистр алей, площади п р о ходны х сеч е н и й дроссел е й , а т а кже производить гидр авлический р асчет а г р е г атов авто м а тюш и коэфф и циент р а схода через отверсти я и др . К а к известно, универсал ь н ы х рекомендаци й дл я в ы бор а ти п а систе м ы п и та н и я не существует. В каждом кон к р етном случ ае п р и в ы бо р е систе м ы пита н и я и сходят из у ч е т а гл а в н ых ф а кторов, о п р е ­ дел я ющ и х п р е и м уществ а того ил и и ного в а р и а нт а систем ы . З а д а ­ ч а ко нструкто р а состоит в т о м , что б ы п р авильно оценить основн ы е ф а ктор ы , п р о а н ашiЗиров ать в л и я н и е и х н а т о т и л и и н о й в а р и а нт с и сте м ы п и т а н и я 11 н а основе та кого а н а л и з а в ы б р ать схему, кото­ р а я и м ел а бы п р е и м уществ а по осно в н ы м д а н н ы м перед други м ii в а р и а нта м и .

20, н а вто р о й - 1 0) [ 67] . Ко нстру1щ и я

191

1 1 .1 . П ОТ Е Р И ДА ВЛ Е Н И Я Ж И Д К О С Т И ( ГА З А )

В Т О П Л И В Н Ы Х МА Г И СТ РАЛ Я Х

П о т е р и давления жидкости ( га з а ) в топл и вных м а гистр а л ях о п р е.:rе.1 я ются дл я конкретной систем ы под а ч и и состо ят и з потери д а в.1 е 1 ш я на созд а н и е скорости 11 р с , н а местны х со противдениях 11P:I! 1 1 н а трение в трубопроводах !). р тр:

( 1 1 . 1)

t::. p = t::. Pc + t::. Pp + t::. P , p ·

р ;2

Потери давдения н а созд а н и е СI<Орости о п р едед яются ф о р м удой

t::. p =

( 1 1 . 2)

•

где r - плотность компонента топл и в а ; w - скорость движения ко м по н ента. П оте р п д а вления н а трение между движущейся ж идкостью и стеш\ а м п трубопровода о п р едел яются п о фор мул е

+

t::. p = f..

( 1 1 . 3)

p;z '

где i. - коэффициент гидр авлического сопротивл ения трени я ; 1 дл п н а трубопровод а , м ; d - д и а м етр трубопровод а , м ; р , w - плот­ ность и скорость жидкост и . Коэф ф и циент сопротивл е н и я трения 'А технических т р у б кругдо­ го сечения дл я тур бул ентного режи м а течения жидкости ( ко м по­ нента т о пл и в а ) о п р едел яется по фор муле [5] :

г де

feJ d

R е = -г v

+ �) 0 1.. = 0 , 1 ( 1 , 46 � dг Re

'25

( 1 1 .4)

'

критерии• р еи• нольдс а ; Llл - средняя шероховатость

поверхности трубопровода , м ; dг - гидр авлический д и а м етр трубо­ п ровод а , м ; v - коэф ф и циент кинем атической вязкости , м 2 /с. Из ур а в н е н и я ( 1 1 .4 ) видно, что коэфф и циент гидр авлического сопротивл е н и я трения з а висит от числ а Рей нольдса Re и качеств а Таблица

11.1

Значен и я ко эффициента

Ko:'.I I IOHeн r тон.1 и в а

v

r4,33]

,.,

"'"" .. '"" "'" "' " !!! о

":;j �= u

1-

То н к а -250 Четы р е хокись азота Азотн а я к нс.10та 1 00 % - н а я

1 92

"' о

20 30

20

u

;;� -

s �

�

,

1 , 19 0 , 255 0 58

1

1

1 1 i

"' "' "' "' Ком нонен е TO I I JI И n a

;-. � §.. � � Q

.;,:.

� �u Е- � о

Н е с и м етр и ч н ы й д и м етиJI· Г ид р а з и н Керос и н �<и д к и й кислород Г ид р а з и н

�

. g �

30

0 , 600

15 20

2 , 70 0

44

1 , 038 0 , 374

,-

л 1--6 О, П'tО �

0,030

D, ПZO _

0,01 0

О,[Ю7

-

I

r"�

1

_L

4 - 10 1

!

i

1

....... � �'-""-�

1

' 1 1

!

��о/" 1

l1 1i/

:

ю-з

1

1&--....J..

� , l Ш5 ! ZI=

.....;.:

�

А

1

1

., "'"

1

i i

�� 1

Re

10 4

Р ис . 1 1 . 1 . Зависи мость коэ ф ф и циента rидравтtческоrо сопротив.• с н и я т р е н и я от ч исла Рей­ нольдса п р и разл и ч н о м относ итс.• ьной шероховатости труб "3. = !!./d

о б р а ботки внутрен н и х поверхностей труб ( вел и ч и н а шерохо в а то ­ с т и т р уб ) . В т а б л . 1 1 . 1 п р и ведены з н а ч е н и я коэф ф и циента v дл я не­ кото р ы х ко м п онентов то п л и в а . Д.1 я удо бств а р а счетов н а р и с . 1 1 . 1 п р и веде н а з ав и с и м ость ко­ э ф ф и ци е н т а гидр авличес кого сопротивления трения Л от ч исл а Р с й н о.1 ьдс а п р п р азл и ч н ы х з н ачениях отношения шероховатости к гидр а вл ическо м у ди а м етру, р ассчит а н н а я по фор м ул е ( 1 1 .4 ) . В ед и ч и н а гидр авлических потерь н а трение з а в исит от вел и ч и­ н ы р а зброса ( отклонен и я ) ди а м етр а трубопр овода от ном и н ально ­ го з н а ч е н и я . П оследнее м ожет п р и водить к з н а ч и тел ы1 ы м отклоне­ н и я м р асчетной вел и ч и н ы гидр авл ических поте р ь н а трение от дей­ ствнте.l ь н о й ( до 1 8 % ) . П р и р асчетах гидр авлических потерь дл я т р уб до ди а м етр а 30 м м , в соответств и и с ЧМТУ 3-303-70, з а кл а ­ д ы в а ется с р едн я я вел и ч и н а шерохов атости поверхности 5 мк, а св ы ш е 30 м м - 1 0 м к . До.1 я потерь давлен и я н а трение о стенки трубопровода в си­ сте м а х п и т а н и я з а висит от относите.11 ьной длины трубопровода lfdг и соста вдяет: п о р асходны м м а гист р а л я м системы питания ЖРД от бака до в ход а в н а сосы - 5 ... 1 5 % от в ел и ч и н ы сум м а р н ы х поте р ь ; п о шши я м п и т а н и я газогенер аторов - до 95 % . П отер!-; давлени я н а п реодоление м естных сопротивлений, к а к известно, пропорциональны скоростному н а по р у

l:!. p = C

p w2 ,

2

( 1 1 . 5)

где � - коэффициент местного соп р отивле н и я . Коэффи циенты м естных сопротивлений о п р еде.11 я ются в зависи­ м ости от рода п р егр ады н а пути движен и я жидкости ( г а з а ) . Коэф­ ф и циенты потерь кл а п а нов, элем ентов автом ат и ки и труб р азлич­ ных конфигур а ци й о п р едел яются обычно экспери ментадьно. П отерп давления в топ.1 и в н ых систем а х р а кет из-за местн ы х потерь п р о и сходят в трубопроводах н а св а р н ы х ш в а х , сужениях и р ас ш и р е н и ях и т. д. ; в узл а х и а р м атуре систе м ы пита н и я ; н а з а ­ бор н ы х п в нутр и б а ковых устройств а х топливных б а ков. 7- 1 7 1 8

193

Сум м а р ные потери давления и з - з а м естных сопротив.'l е н и й опре­ дел яются по формул е

( 1 1 . 6) где f)..pa . y - потери давл е н и я на з а бирном устройств е ; дРев - поте­ р и дав.Тi е н и я н а св а р н ы х ш в а х трубопроводов ; дрсп:rьф - потери трубопроводо в ; д а влени я н а гибких эл ементах ( сильфо н а х ) д р пов - п о т е р и давл е н и я п р и повороте пото к а ; д рр азв - потери давлен и я н а р азветвл ение потока ; дрсуж, дррасш - потери дав.11 е н и я п р и суж е н и и и р ас ш и р е н и и пото к а соответственно ; дравт - потер и д а вл е н и я н а эл ементах автом ати к и . П р и л етно- конструкторских испытаниях в р а сходных м а гистр а­ л ях ( трубопровод а х ) уста н авл и в а ются датч и к и р асхода дл я изме­ р е н и я р а схода Iюм понент0в топл и в а н а двигател ь . Обычно в каче­ стве датч и к а р а схода используются тур бинные р а сходомеры ( «вер­ тушки» ) , которые измеряют м ассовы й и л и объе м н ы й р а сход ком ­ понентов топл и в а . Коэфф и циент гидр авл и ч ес1юго сопротивления объе м н ы х датч и ков р а схода н а ходится в п редел а х �авт = 0,8 ... 1, 1 , а м а ссов ы х �авт = 1 ,0 . . . 1 ,6. Дл я о п р едел е н и я в ыдел е н и я г а з а и з ком понента топл и в а в тру­ бопровода х уста н а в л и в аются датч и ки сплошности . Коэффициент гидр авл и ч еского сопроти в л е н и я датчиков сплошности �авт = 0,7 ... 1 ,2. При н а л и ч и и в систе ма х п и т а н и я м е м б р а н н ы х узлов, которые уста­ н авл и в а ются обычно н а входе в двигатель, на н и х т а кже и м еются потери давления. Коэффициент гидр авлического соп ротивления р аскрытых м е м б р а нных узлов �авт = 0, 5 . . . 1 ,5. Нео бходимо отметить, что бол ь ш и е з н ачения коэффициента гидр авл и ч еского сопротивле­ ния относятся к трубопровод а м с меньшими ди а м етр а м и . . Дл я кол ьцевых з а бо р н ы х устройств и м еет м есто перете к а н и е жидкости из днища б а к а через сл и в н ы е отверсти я в желоб и сюr я ­ н и е двух потоков в желобе н а входе в р а сходную м а ги стр аль. По­ тер и давлени я н а кольцевы х з а борных устройств а х состоят и з по­ терь давлен и я н а желобе и потерь давления на сли я н и е потоков н а входе в р асходный трубопровод. Потери давл е н и я н а сли я н и е пото­ rюв состоят в основном из потерь д а вл е н и я на тур бу.11 ентное пере ­ м е ш и в а н и е двух потоков и потерь н а поворот пото к а п р и в ходе его в р-асходный трубопровод. Экспер и м ентальные и ссл едов а н и я показывают, что коэф ф и ц и ­ ент местных потерь н а з а бо р н ы х устройств а х топл и в н ы х б а ков з а ­ в и с и т от rюнструкции з а борного устройств а , ф о р м ы , п р о ф и л я про­ точной ч а с rи и т . п . Дл я существующих типов з а бо р н ы х устройств топл и в н ы х б а ков р а кет коэффициент м естн ы х потерь от 0,05 до 3. Дл я центр аJi ьного з а бор ного устройств а со скругл е н н ы м в ходо:\1 и п л а в н ы м и з м енением площади проходнога сеч е н и я п роточ ной ч а с­ ти коэф ф и циент �з.у = 0,05 . . . 0,2. 1 94

,-------. ---- , � - ,----- ·

Р 11с. 1 1 .2. З а в lt с ltмость коэ ф ф 11циента г и дравл ичес кого сопрот и в л е н и я гофриров а н н ы х трубо· прокодов от ч ис л а Реiiно.•ьдса Р и с . 1 1 .3. Зависимость коэ ф ф и циента гидравл и ч е с кого сопрот и вл е н и я н а повороте от отно· С ltтельного радиуса для разл и ч н ы х з н а ч е н и й у г л а поворота

Д.'l я це нтрал ьного з а борного устройств а с острой входной I<р о м кой Jю э ффи ц и ент �з.у = 0,5 ... 2. Дл я кольцевого з а борного устро йства коэ ф ф и ц и е нт �з.у = 1 ,5 . . . 3 [ 1 8] . По т е р и дав.r�ения н а св а р н ы х ш вах ( ст ы к а х трубопроводов ) можно определи ть по м етоди ке, приведеиной в р а боте [36]. Местные потери давлени я н а сильфонах з ависят от относител ь­ ной шерохов атости, в нутр енней повер хности гибкого металлическо­ го эл ем ента ( ру к а в а ) . Для ч исел Re � 1 800 и ш а г а гофров 1 < t < 5 м м при винтовой н а вивке коэ ффи циен т сопротивл е н и я сильфона в ычисл я ется по ф о р м ул е

( 1 1 . 7) где t - ш а г гофров, м м ; h - высота гофров, м м ; d - внутренний ди а м етр ги б кого рукава ( сильфон а ) , м м . К о э фф и ц и ент сопротивл ения в рукавах с кольцевы м и гофр а м и н а 20 . . 25 % выше, ч е м в рукавах с винтовой н а в и в кой гоф р а . Н а р и с . 1 1 .2 п р иведе н а з а в и симость коэффициента гидр авличе­ ского соп р отивления гоф р и р о в а н ных трубопроводов от числ а Рей­ но.п ьдс а . Кю< и дл я гл адких трубоп роводов, наблюдаются три об­ л асти течения [45] : л а м и н ар на я l g Re � 3, 1 7 ; переходная 3, 1 7 � l g R e � 3,4 и т у р бул ентная l g R > 4 . И з р ис у н к а видно, что в об­ л а ст и турбул ентно го течения вел и ч и н а Лт п р а кти чески не з а в исит от ч и с.'l а Рейнол ьдса и в основном о п р едел яется з н ачением относи­ те л ь но й воа нистости а . Коэ ф ф и циент м естного со противл ен ия н а повороте потока о п р е­ де.'l яется по формул е [5] : 1 5 ( 1 1 . 8) C,. = Cgo• -° [2000Л2 · 5 + 0 , 106 ( .!!_ ) 2 ' ] �° . R 90 .

,

где 7*

а-

90

угол поворота потоi< а , градус; Л - ко э ф ф и ц и ент со п р от и в

-

1 95

ления трени я ; R - р адиус з а кругления трубопровода до его оси, м м ; d - д и а м етр трубо провода, м м . П р и бол ьших ч исл ах Re коэффициент С 9о• о п р едел яется п о фор­ мул е [5] :

( 1 1 . 9)

Н а рис. 1 1 . 3 п риведен а з ависимость Снов = f

{ � , аJJ.л я автомо­

дел ьного р еж и м а течения ком по нента топлива в трубопроводе . Дл я сегментного колена коэффициент местного сопротивл ени я можно р а ссчитать по фор мул е 0'6 ( 1 1 . 1 0) С = 0 , 0 8а О.7 5 •

(�)

Потери давления на р асширение з ависят от его фор м ы : внез а п ­ н о е и л и пл авное р асширение. Коэфф и циент м естного соп ротивле­ ния при внез а пном р асширении р ассчитыв а ется по формул е [5] :

( 1 1 . 1 1) где F1 , F2 - площади проходных сечений до р асширения ( м ень­ ш а я ) и з а р асширением ( бол ь ш а я ) соответственно. Формул ы ( 1 1 . 1 О) , ( 1 1 . 1 1 ) з а писаны дл я случ а я отнесени я коэф­ фициента сопротивления к большому диам етру трубопровод а . П р и отнесени и коэффициента сопротивления к н ач а л ьном у ди а м етру тр убопровода, и м еем

2 ) ( -� F2 p wi .р =--= � Рвн.р Свн =

С вн.р - 1

•

2-

н

( 1 1 . 1 2) •

Н а рис. 1 1 .4 пр иведена з ависи мость дл я определения коэффи­ циента � в р = f ( F, / F2 ) . П р и пл авном р асширении (диффузор) м агистр али ( 1 1 . 1 3) С р = Кс�tРвн.р • где Ке �• - коэффициент смягчения, учитыв ающий уменьшение 1<0эффициента �Р по сравнению с 1шэффи циентом в нез а п ного р асши­ рения �вн.р· На рис. 1 1 . 5 п р иведена зависимость коэффициента см ягчения Кс�• от угл а р асширени я трубопровод а . П р и внез а п ном суж ении вел ич и ну коэфф и циента �вн.с берут в з а висимости от отношения F1 / F2 ( F 1 - площадь сеч е н и я до суж е­ Н I I Я , F2 - п.rющадь сеч ения после сужени я ) : � 1 96

F2 Fl

0 ,01 0 , 50

о, 1

0 , 50

0,2

0 , .!

0,6

0 ,8

0 , 42

0 , 34

0 , 25

0, 15

1 ,о

0 , 00

Н 'Р_

0, 8 О, б 0,4

0,2 а

L\

• 1 СМ

\

\.

0,8 0, 6

"

1

"" 0,8F1/F2 .

� l 0, 4 О,б

....

0,4 O, 'l о

v

j

1 j

15

/

30

�

45

а:

Рис. 11.4 . З а в исимость коэф ф и циента гидравл ического сопротивл е и 11 я п р и в 11езапном расш 11· ре11ии от отн ошен ия площадей Рис. 11.5. Зависимость коэффициента с м я г ч е н и я от угла рас ш и р е н и я трубоп ровода

П р и п л а вном сужении м а гистр а л и

Се = К с м Свн .с • Н а рис. 1 1 . 6 приведена з ависимость коэффициента смягчения Кс�' от а , взятая из р а боты [5]. Н а рис. 1 1 .7 приведены р азличные схемы условий отвода и з н а ­ ч е н и я коэффициентов сопротивления дл я ориентировоч ных р ас­ ч етов [ 1 1 ]. 1 1 .2. В Ы Б О Р В ЕЛ И Ч И Н Ы ДАВЛ Е Н И Я НАДД У В А Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В

В процессе р а боты двига тел ьной установки в к аждом из топ­ л и в н ы х б а ков необходи мо поддерживать давление газа наддув а между !'.Ш н и м ально и м ю<си м ально допусти м ы м и з н а ч е н и я м и ( р и с. 1 1 .8) . М а ксимальное допустимое давление определ яется из услови я м а кс и м а л ьных н а грузок, восп риним аемых конструкцией, при этом учитывается , что верхние секции б а к а испыты в а ют только давление г а з а , а нижние - давление газа и стол б а компонента топл и в а . М а ксимал ьное давление в б а ке соответствует н а стройке пред_g­ х р а нител ьного кл а п а н а и п р и полете в плотных слоях атмосферы и з :v� ен я ется в соответств ии с и з !(,сн г---,----,---,--.--.". м енением окружающей среды. Ми н и :v� альное допусти:vtое да в 0,8 lt---t---+---t----,,:..---1 л е н и е газа наддув а в топл и вно \1 б а ке определ яется с учето:vt требований бескавитационной р а боо, ч 1--\,----t-- --+----:;;.,.c..� Р11с. 11.6. Завис11мость коэ ф ф 1щ11ента с м я r ч е · н 11 я от угла сужен11 я трубопровода

о

чо

во

1ZO

1б.J

а::

1 97

п

z=o, q. .. 7, 2

а

1L _j · L _j � шz �otz za

� с 7. . . 1, 5

� = 7.. .1, 5

а -

�=0,5. ..0,6

�о �� -G- -а: � = 0, 5

s = 7, j

5 = 0, 1

Рис. 1 1 .7. О р и ентирово ч н ы е з н а ч е н и я ко3ф ф и ц и е нJов р а з л и ч н ы х с х е м а х отвода

'{ = 0, 05

гидравл и ч е с кого

сопротив.1ен ия

при

ты з а бор ного устройств а и н а сосов двигательной уста новки, а т а к­ �< е из усло в ия обеспечен и я м и н и м аль н ой проч ности устойчивости стенок б а ка . П рочност ь конструкции топливного б а к а зависит от переп ада давлени я на стен ке б а ка , т. е. от давлени я окружающей среды и давления в нутр и б а к а . П отер я устойчивости б а к а м ожет также наступить и п р и п аден и и давления в б а ке н иже давл ен и я окружающей ср еды. П р и м и н и м альной вел и чи н е давлен и я Р б min стен ки б а к а не те­ р я ют усто йчивости п ри возде йств и и н а грузок п ри з а пуске двига­ тел ьной установки. Кром е rого, н а проч ность конструкции оказы­ , в а ют вл и я н и е вибр а ции и уд а р н ы е н а грузки, а п р едельны е ( с точ­ к п зрения проч ности ) требов а ни я зависят от ускорения, так к а к оно о преде.r1 яет давл ение стол б а ком понента топл и в а . М и н и м ал ь ное д а вл ен ие н аддува, необход и мое для исключения к а в ита ци и в н асосах

Ми н и м а л ьно необходимое давление ком понента на входе в н а­ сос Р вх min о п р едел яется совер шенством конструкци и н асоса и ти­ пом ком пою:: н та то плива . С и з м енением темпер атур ы ко м понента м и н и м ал ьное давление н а вход в н а сос изменяется . Дл я обеспече­ ния бескавита ционной р а боты насоса двигательной уста новки не­ обходи м о , чтобы Рвх m i n Р б + !'!.рк, Рб - давление п а р ов ком понента топл ив а при данной тем пер атур е ; дрк - кавитационный з а п ас на­ сос а . •

=

�r· l ��

�

4

-- - -- -- � -

1 98

- ....J

2

-Время

J/ -

1

1 - -1

Рис. 1 1 .8. И з менение предел ь н ы х з н а ч е н и й давления в топ�1 ивном б а к е в по�ТJетн ы х уело .. в и я х ( н азем н ы й запуск, в ы сокое статистиче­ с кое давление компонента) :

..J - �f а J.;:сн �t а л ь н о е д а вле н и е ;

2 - область допу­ с т и м ы х з н а ч е в н Н д а вл е н и я в б а к е ; 3 - ;о.ш н н ­ м а .'l ь нос дав.1 е н и с н а в х о д е в д в и г а т е л ь ; 4 :-.ш 1 н о r а .'1 ыюс д а в л е н и е ( н з усл о тш я о G с с п с ч е ­ н н я у с т о ii ч и в о с т н с т е н о к б а 1.;: а )

Давление Iшмпонента топл и в а н а входе в н а сос до пуска р а ке­ т ы о п р едел яется из в ы р а ж ен и я : Рвх = Рб + Рст ; Рст = РНо, где р6 - дав.1ение г а з а н аддува н ад свободной поверхностью ком­ понент а ; Рст - давлен и е стол б а ком понента топл и в а ( статичес1ше давление ) ; Но - н а ч а л ь н а я высота стол б а ж идкост и ; р - плотность ком понента топл и в а . Н а а ктив ном участке тр а ектории давление стол ба компонента н а входе в н а сос явл яется перемен н ы м . С одной стороны, высота стол б а ж идкости уменьшается за счет в ы р а ботки I<Ом понента топ ­ л и в а из б а к а . С другой сторон ы - р а кета движется с осевы м ус­ корениеы и на стол б жидкости действует осев а я пер егрузка nx, т. е. давление стол б а компонента топл и в а в каждый момент вре­ м е н и р авно Р с т = nхрН. М п н и м альное давление Рв х m i n компонента топл и в а на входе в н а сос определ яется из уравнения Бернул л и , з а писанного дл я двух сеч е н и й дл я произвольнога момента времен11 пол ета. И учитывая, ч то w 1 � шб ( w б - скорость движения поверхности жидкости в ба­ ке; w 1 - сiшрость ж идкости н а входе в н асос) , запишем : Pвxmln = Рб + P nxH - Р

w2

Т

-

APr.•

( 1 1 . 14)

где 11рт. - гидр авлические потери давления в системе (от свобод­ ной в б а ке до р асч етного сеч е н и я на входе в н а сос) . Т а 1ш м обр азом, есл и опр едел е н а вел и ч и н а м и н и м ально допусти­ м ого давл е н и я н а входе в н а с о с Рвх min , то потребное давлен и е в б а ке Р б min из требов а н и я бескавитационной р а боты н а сосов долж­ но быть т а к и м , что б ы п р и · м и н и м альном значении давления стол б а ж идiшсти Рст min обеспеч и в алось необходимое давдение н а входе в н а сос, т. е . Pб mln = Pвxmln - Pcт mln + APr. +

pwi

2-

-

•

( 1 1 . 15)

М и н и м ал ьное да вл ени е н аддув а, необходимо е дл я искл ю ч ен ия к ав итации на з аборном устро й стве

П р и н аддуве б а к а гор я ч и м и г а з а м и верхний слой компонента топтша п рогревается. Так по мере выр а ботки ком понента топл и в а из б а ка давление, созд а в аемое и м , умень ш а ется , а упругость н асы­ щенных п аров увел и ч и в а ется . При течении компонента топлив а по проточ ной ч асти з а бор ного устройств а возможно т а кое п аден и е н а по р а в некотором сеч е н и и , при котором местное давление стано­ вптся р ав н ы м давл е н и ю н асыщения п аров ком понента при его те;vшер атуре в этом сеч е н и и . В этом случ а е происходит холодное в с к п п а н и е 1ю мпонент а топл и в а , что приводит к р азрыву пото к а . П оэтому п р и проектиров а н и и систем п и т а н и я необходи мо уч иты­ вать к а в н т а ци ю н а з а бо р н ы х устройств а х . Исi<Jiючение I<авнтацпи 1 99

Р ис. 1 1 .9. И з м е н е н и е по в р е м е н и полета м и н и м ал ьно необходимого давл е н и я д.'l я б а к а ок ислител я :

р " с ч с т но фор " ул е ( 1 1 . 5 ) . 2- д а вд с н 11 с н о т е р и устоii ч н в ости б а н: а ; 3 - р а с ч е т п о фщнr у.1с ( 9 1 4 ) ; 4 - п р сде.% 11 0 доп устюrос ;r. а в.1 с ю t с в б а ке

1-

на

з а борном устройстве обеспеч и в а ется п р и ус.тювии, что где статическое , Рз.)· давление в сжатом сеч е н и и ; Рз .у > Ps + !:J. p � Ps - давление упругости компонента топл и в а п р и д а н ной тем пер а ­ туре; А.р,, * - кавитацион н ы й з а п а с з аборного устройств а . Миним альное давление Рз.)" min м о ж н о опреде.'Iить из уравнения Бер нул.тш , з а пи с а н ного дл я двух сечений дл я произвольнаго мо ­ мента времени, и учиты в а я , что Wсж � Wб, з а п ишем : 1

2

wс

ж Рз.у = Рб Т pg nx н з.у - Р -2- - !:J.Рз.у •

( 1 1 . 1 6)

Нз.)· - уровень ком понента от свободной поверхности до сж атого сечения в р асходном трубопроводе ; Wсж - скорость ко м понента в сж атом сечени и ; А.рз.у - гидр авлические потери давл е н и я в з а бор­ ном устройстве. Есл и о п р едел е н а вел и ч и н а м и н и м а.'I ь но допусти мого давления в сжатом сечении Рз.у, то м и ни м ал ь ное давл е н и е в топливном б а ке P�m i п должно быть таким, что б ы п р и м и н и м альном давлении стол б а ж идкости Р с т m i n обеспечивалось необходи мое давление в сж а ­ т о м сеч е н и и з а бор ного устройств а . Н а р и с . 1 1 .9 при ведены г р а ф и к и изменен и я давл е н и я г а з а внут­ р и б а к а окислител я первой ступени р а кеты. Из р и сун ка видно, что д.т1 я бескавитационной р а боты н асоса и обеспеч е н и я устойчивости б а к а необходи мо, чтобы давление н а ддув а в б а ке п р ев ы ш ало дав­ ление, о п р еделяемое .т шнией A B C D E . К р и в а я 3 н а рис. 1 1 .9 х а р а ктеризует м и н и м а л ьное н еобходимое давление в б а ке из ус.'Iовия обеспеч е н и я бескавитаци о н но й р а боты з а бор ного устройства . Из р исунка видно, что д о 6 0 с полета м и н и м а.ТJЬ н а я вел и ч и н а да в.Тiения н аддува определя ется из условия обеспечения м и н и м а.'I ь­ но необходамого давления н а входе в н асос Р в х miп ; с 60 до 80 с из условия обеспечения устойчивости стенок б а к а, а после 80 с полета из условия обеспечения м и н и м ально н еобходи м ого д а в.ления в з а­ бор ном устройстве Рз:у. Т а к и м о б р а з о м , дл я обеспеч е н и я норм альной р а боты систе м ы п и т а н и я м и н и м альное з н а ч е н и е давл е н и я в б а ке дол ж н ы п р и н и ­ м аться выше кр ивой A B C D . 200

1 1 .3 . ДА ВЛ Е Н И Е П Р ЕД В А Р И Т ЕЛ Ь Н О ГО НАДДУ ВА

Систем ы п р едв а р и тел ьного н аддув а должны обеспечивать не­ о б ходи м о е дл я бескавит а ционной р а боты давл ение н а входе в н а­ сосы до момента выхода основной систе м ы наддув а на р ежи м , м и ­ н и м а л ьное время от подач и ком а нды н а н аддув до перехода в го­ товность к з а пуску дви г а тел я, а т а кж е долж н ы обл адать высокой н адежностью фующионирования в условиях эксплуатаци и р а кеты н простотой констр);кщщ. Величи н а давления предв а рительного н аддува долж н а обеспе­ ч и в аться в ди а п азон е Р б min < Pб < Pб m а х Для ИСК.1 ЮЧения роста д а вления более Рб max н а б а ке уста ­ н а вливается предохр анител ьн ы й кл а п а н с давлением открытия Рп.н = Ро m ;1 x . Излишек р а бочего тел а сбр асывается в окруж а ющу ю среду. С н ижение д а вления м енее допусти м ого Р б mi п искл юч ается вы­ бором при проектиров а н и и соответствуюшей величины свободного объе м а б а к а или подпипюй его до м о м ента в ы хода системы над­ дув а н а основной реж и м . Посколь ку сво бодн ы й объем увеличив а ет м ассу б а к а , он дол жен быть м и н и м альным . П р едв а р и тел ь н ы й наддув б а ков может производиться : сжатым г г зом о т агрегатов н азем ного оборудов а н и я д о момен­ т а старта и р азрыва связей с ним и ; сж а т ы м газом из ем костей в ысо кого давл е н и я , н а ходящихся н а борту р а кеты ; газом, н а ходящи мся в свободном объеме ба ков п р и длител ьном х р а нении ; продуi<Там и сгор а н и я пораховых газогенер аторов; р а бач и н телом, обр азующи м с я п р и непосредственном вводе а к­ тивных р е а гируюших веществ непосредственно в бак. Е сл п подпИтка газовой подушки п р е к р а щается до момента в кл юч е н п i! двигател я , 1 0 , учитыв а я , что процесс р асширения газа в б а ке можно пр инять изотермически м , м и н и м альный свободный объем определ я ется по ф о р м ул е ml V11 п

Pб mlnVc ma x Рб шl n

Р" · " -

( 1 1 . 1 7)

Vc max= Vз + V ."

где V c m a x - м акс и м ал ь н ы й объем компонента топли в а , сл иваемо­ го из б а к а до момента выхода систе м ы н а ддув а н а реж и м ; Vз ­ объем rюм понента, н еобходимого д.1 я з а потrен и я гидр авлически х т р а ктов двигательной установ ки ; V.:� - объем ком понента топл и в а , кото р ы й р асходуется в двигател е д о в ы хода систем ы наддув а н а р ежи м . Объем ПiД р а в.lичесrш х т р а ктов Vз определ яется конструкцией д в нг а тел ьной установки. О бъе::�1 топ.1 и в а V:to р а сходуе мого н а дви ­ г а тел ь, яв.1 яется интегра.'! ь н ы :vi з н ачением р а схода от мом ента з а ­ л п в rш д в и г а т е л я тз до выхода систем ы наддув а н а р еж и м тн : 20 1

vд =

.f"v

�3

d т: ,

( 1 1. 18)

где V - текущи й секундн ы й объем н ы й р асход топл и в а . Ес.rш после з а пуска двигател я продолжается подпитка газовой подушки от агр егатов назем ного оборудо в а н и я , то необходи м ы й р а с ход газ а в б а ке дл я подпитки р ассч итывается по формул е . а

_

Pб ma x Vc ma x

п -

( 1 1.1 9)

(R Т )б ('Сз + "Си) Необходи мо отметить, что р асход г а з а дл я подпитки Gn явл яетс я исходным дл я в ы б о р а эл ементов автом атики и р а счета п роходн ых сечений трубопроводо в . П р и и спользов а н и и систе м ы н аддува с непосрсдственным вво­ дом р е а ги р ующих в еществ р асход ж идкого р е а гента р ассчитыва­ ется по ф о р м ул е

Оп =

Pб max Vc ma x (t:з + 't'н) '

(R Т )зфф

( 1 1 . ?0)

где ( R T ) эФФ - эффектна я р а ботоспособность г а з а н аддува в нутри б а J{ а . П р и дл ительном х р а н е н и и з а п р а вленных б а ко в р а счет давления в газовой подушке производится по формул е

� l Рб-Рр тT vV�o [ l ++ a:a�o + '� ( 1 _ l1 ++ aа0)� ] + Ps • _

а=

(

1 1. 2 1 )

Vж 'I.RT, Vo

где Vж - о бъем жидкого ком понента в то пливном б а к е ; V, Т ­ свободны й объем и тем п е р а тур а г а з а в б а ке ; х - коэфф и циент Генр и ; рр - р а счетное давление в б а к е п р и х р а нении ; P s - давле­ н ие упругости п а р о в ком понента топл и в а ; � - коэфф и циент н е р а в ­ новесности процесса в б а ке. И ндекс а м и « нуль» и «Т:» обоз н ачены п а р а м ет р ы соответственно м о м енты. Коэфф и циент � о п р едел яется в н а ч альный и текущий экспер и м ентально. 1 1 .4. В ЬI Б О Р П А РАМ Е Т Р О В С И СТ Е М ЬI НАДДУВА

Давление н аддув а в б а к а х при подаче топл и в а н а сос а м и з н ач и­ тельно н п ж е давлен и я в б а к а х п р и подач е топл и в а с помощью в ытеснител ь н ы х систем , одн ако и в случ а е подачи топл и в а н асоса­ ми м асса г а з а , необходимого дл я н а ддув а , в м есте с м ассой всей систе м ы н аддува может составл ять десятки и сотни килогр а м мов. Очевидно, что пр авильный выбор систем ы н аддув а и р а ци о н альное о п р едел е н и е основн ы х п а р аметров ее позволяет существенно у м еньш ить м ассу р а кеты и , сл едов ательно, увеличить дальность се по.11ета. 202

Ти п оборудов а н и я , необходи мого дл я н аддува , и его м а сса за .. висят от схем ы наддув а . В сост а в газоб аллонной систе м ы н адду в а входят б а л л о н ( б алл о н ы ) сж а того г а з а , трубо п роводы, р егул ято р ы и кл а п а н ы . Масса г а з а б алдонной систе м ы н аддув а определя ется м ассой г а з а в б аллоне и б а ке после выключения дви гательной установ к и , м ассой б аллон а и а р м атур ы , т. е .

г д е G 1 - м а с с а р а бочего тел а , необходим а я дл я наддув а ; G 2 м асса м а гистр алей и а р м атуры ; G 3 - м а сс а газового б аллон а . Очевидно, ч то м асса газового б а л л о н а и · р а боче го тел а п ропорцио­ нальн а времени р а боты, а м асса а р м атур ы п р а ктически н е з ависит от в р е м ени р а боты системы н а ддув а . Масса газового баллона со­ с т а вл яет бол ьшую ч асть м ассы конструкции газоб аллонной систе� мы н а ддув а . Масса горячей систем ы н аддув а о пр едел яется и з вы р ажения

где G 1 - м асс а р а бочего тел а , необходим ая для н аддув а ; G 2 м ас с а м а гистр алей и а р м атур ы . П р и горя:чем н аддуве б а ков н а и более существенно влияет н а весовую х а р а ктеристику системы велич и н а секундного р асхода г а · з а , необходи мого дл я о беспеч е н и я д а в л е н и я н а ддув а . Очевидно, что дл я каждого 1ш н кретного случ а я потр е б н ы й р асход газа опре· л яется з н а ч е н и я м и исход н ы х п а р а метров газа и п роцесс а м и , про­ исходящи м и внутри б а к а . Х а р а ктер этих процессов, в свою очередь, з а в и с и т от з н ачений исходн ы х п а р а м етров газ а н а ддув а , ф и з и ко­ х и м и ч ески х свойств жидкого ком понента, конструкти в н ы х особен· ностей б а к а , ти п а и р а с полож е н и я н асадка, п р именяемого дл я вво· д а г а з а , и от м ногих других ф а кторо в . Трудность уста новления з а в и с и мости потребного р асхода г а з а от з н ач е н и й оп р едел яющих п а р а м етров состо и т в сложности внутри б а ковых п роцессов и н едо · с та точ ной изученности и х . Температура г а з а н адду в а определ яется допусти мой тем п е р а ­ т у р о й м а тер и а л а с т е н о к б а ков. Дл я б а ков, из готовленных и з а л ю­ м и ниевых спл а вов, допустим а я тем пер атур а стешш берется 1 50 ... 200° С, для стальных б а ков ( н а п р и м ер , из нержавеющей ста­ л и ) о н а з н а ч и те.1 1,но в ы ш е 400 . . . 800° С . Н а э к о н о м и ч ность системы н аддува существенное в л и я н и е ок а­ з ы в а е т эл емент а р н ы й состав г а з а н а входе в б а к . Чем больше 13 п р одукта х сго р а н и я неконденсирующи хся п р и охлажде н и и внутри б а к а г азов, тем р а бочее те.1 о эффектив нее. Поэто м у ж ел ате.1ь н о п р и м ен ять т а к и е р а бо ч и е тел а , которые содерж а т м и н и м адьное к о ­ . Ш i ч ество п а равой ф азы . Ко н е ч н о й це.1ью р асчета .1 юбой снете м ы н аддув а я вл яется o п ­ p eдe:I e J I I I e з н а ч е н и й п а р а метров систе м ы . В ажнейшее пз этих т р е ­ бов а н и й - м и н и м а л ь н а я м а с с а си стемы н а ддув а . 203

Р асчет р асхода р абочего тел а , необход и м ого дл я н адду в а б а к о в

Уравнение ( 5.50) дает воз можность в ыч исл ить р асход г а з а 00, необходи м ы й дл я обеспеч е н и я требуемого давления в б а ке. Одна­ ко п р и этом должны быть извест н ы изменени я во времени всех ве.п ич и н , входящих в это ур авнение. Вследствие недостаточ ной и з учен ности процессов тепл о м а ссао б м е н а в б а ке теоретическое вы­ р ажение соответствующих з а висимостей в н а стоящее в р е м я з а ­ т р уднител ьно, в связи с чем уравнение ( 5. 50 ) в общем в иде н е м ожет б ы т ь решено. И спользуя экспериментальные д а н н ы е по н ад­ дуву б а ков [ 1 7, 1 8], можно п р едложить следующие два п р и ближенных спосо б а р асчета р ас хода газа G0, необходи мого дл я о беспече­ ния требуемого давления н аддув а . Первый с пособ р а счета секундного р а схода G 0 н а наддув топ­ л и в ного б R к а основ а н н а п р едположении о полной конденс а ци и п аравой ф аз ы внутри б а к а . . В торой с пособ р а счета секундного р а схода G 0 осно в а н н а ис­ пол ьзов а н и и экспер и ментальных данных по н аддуву м асштабных ( н а тур н ы х ) б а ков, т. е . р а счет п о (R T ) ;:оэФ · П ерв ы й способ р асчета кол ичества р абочего тел а , необ ход и мого дл я н аддув а б а ков

В р аботе [ 1 9] приведен ы экспер и м е нтальные д а н н ы е по наддуву :viОJ:е,Т[ ьного б а к а сухим 11 в л а ж н ы м газом . По кажем , что связь м е ­ ЖJ:У потребн ы м р а сходом р а бочего тел а и е г о в л агосодержание м , уст а новл е н н а я н а модел ьных и с п ы т а н и ях, с п р аведл и в а и дл я н а­ тур ных ( пол ном ас ш т а б н ы х ) б а ков н е только с к а чественной, но и с кол ичественной стороны. Дл я упрощени я решения уравнения ( 5. 50 ) введем сл едующие п р едполож е н и я . 1 . Д а в л е н и е в б а ке посто я нное, т. е. p = const. 2 . Секундн а я потер я тепл а н а теплоотдачу в газаподводящем к а н а,Т[ е м а л а , т .

е.

-=

dQ.r d ТJ

О

.

3 . Кол ичество и с п а р яющейся ж идкости по с р а в н е н и ю с кол пчество:\I посту п а ющего в бак р а б о чего тел а наддув а м ало, т . е . Gп = О. 4 . Ко.Т[ ичество газ а , удал яющегося ч ерез дренажно - п р едох р а ни те.'l ь н ы й кл а п а н , пренебреж и м о м ал о , т . е. G ;�; = O. П р 1� этих упрощающих n р едположениях у р а в нение ( 5 . 50) п р и ­ н и м ает в и д :

Оо =

-х.

'Х.

1

с�

Р

Т*

Ог

Уг

+

- _с� Т*

,'*

ер ..

т

dQ + d 1J

с !�* Р

П р и н а ддуве б а к а сухим гор я ч и м газом, получи м •

204

-х. *

1 Goc = � -х.

_ Gг Р

Уг

О к.

+ -'- dQ = с�Т* d ТJ *

( 1 1 . 22)

. р=-

Ur

R " T "'

Yr

+ ---�- d Q d т.

с �Р

След ует и м еть в в иду, что у р а внение ( 1 1 .22) о т.тш ч а ется от у р авне­ ( 1 1 .23) не тол ько н ал и ч и е м допол нител ьного члена в п р авой ч асти, но и велич и но й секундной потери тепл а и з н ачением х . Н а конец п р и н аддуве холодны м газом ( с тем пер атурой Тх, р а вной тем пер атуре ж идкого компонента ) в ы р ажение дл я потр еб­ ного р а схода п р и н и м ает в ид ния

"J. Ur Р Р = -- -- . -Gox = "J.-СрТ х - 1 RT х V r

( 1 1 . 24)

С р а в н и в а я ур а в нени � ( 1 1 .23 ) и ( 1 1 .24) , можно з а метить, что увед пчение н а ч альнои тем пер атуры газа ( Т* > Тх ) способствует уменьшению потре бного р а схода его, одн а ко эффект подогрева осд а бд яется усили е м теплоотдачи. На рис. 1 1 . 1 0 штрихов а я кридо в а я изображ ает з а виси мость относител ьного р асхода Оос = � от Оох Т* - тх АТ р ассчив ел п ч и н ы относител ьного подогрев а !1Т = - = , Тх Тх отсутст­ предположении .24) 1 1 в ( и .23) 1 1 ( ю ни е н в а р у т а н ную по в и я теп.1оотдачи. В этом случ а е 1 Тх (; ( 1 1 .25) 1 + АТ ас - Т * _

_

К р и в а я d = О показыв ает з а висимость Goc = f (�f) , полученную э кс ­ п е р и ментально п р и н аддув е модельного б а к а сухим горячим возду­ хом ( с м . р а боту [ 1 4]) . Эта з ависимость ч м еет вид:

G ос

=

= 1 - З!1Т '

1

1 + АТ

1

Т

(

1 1 +

АТ

�) !1Т.

( 1 1 . 26)

З дес ь � - э м п и р ический коэф ф и циент, существенно з а висящий о т т и п а н а с адка , через кото р ы й в водится р а бочее тело н аддува в б а к . Дл я насадка цил и ндр ической форм ы , созд а ющего единичную струю, н а п р авлен н ую в зеркало ж ид;:; �� -: --т---. '-==--т---.:---=кости , RР 0 , 1 1 ; для н а с адко в , создающи х большое количество струй м алого д и а метр а , и м еющих небольшую даль нобой ность, � = 0 , 1 7 . . . 0, 1 8. Второй �б """"'=---iцлен п р авой части ур а в н ения ( 1 1 .2 6 ) п редставляет с о б о й эксп е р и м е нта дь�2 н ую поп р а в ку к фор мул е ( 1 1 .2 5 ) , у чи ты в а ющую эффект теплоотда ч и . Р а з =

l;;;;;;;l=��===r:

Р 11 с . 1 1 . 1 0. у авис1tмость относительного р асхода рабо­ ч е го т м а G oc • необходи м ого дл я н аддув а бака гор ю­ ч е г о , от относител�ного избыточно/! температуры его н а входе в бак 6. Т п р и разном влагосодержаи ии d и на�ТJ и ч и и теn ..'lоотда ч и ( с п л о ш н а я л и н и я ) и п р и от­ сутствllи теплоотда ч и ( штриховая л и н 11 я )

205

ность орди н а т шт р и ховой кривой и л и н и и d = O ( с м . р и с . 1 1 . 1 0 ) и л ­ л юстр и р ует увел ичен ие потр ебного р а схода г а з а вследств ие тепло­ отд а ч и . Из с р а в н е н и я уравнений ( 1 1 .22 ) и ( 1 1 .23) в и д н о , ч то содерж а ­ н и е в г а з е п а равой ф азы, в ы п ада ющей в виде конденсата, увел и ­ ч и в а ет потребный р а сход 0 0 • Есл и в первом п ри бл ижении п р и н ять iн = i* , х = х* и секундную поте р ю тепл а считать нез ависяшей от п роцесса конденсаци и , то можно з а п и сать

( 1 1 . 2 7) Р а в е нство х = х* оз н а ч а ет, что в у р а внении ( 1 1 .2 3 ) в ел и ч и н а х * дол ж н а быть о п р едел е н а по з н ачениям теплоем костей, р ассч и т а н ­ ных по составу г а з а в б а к е б е з учета п а равой ф аз ы (dx/dт: = O) , т. е . указ а н но е р авенство озн а ч а ет п р едположение о пол но й кон­ денсации п а равой фазы. В ы р ажение ( 1 1 .27) можно п р едста вить в безр а мервом виде :

l 1 1 . 28) Оо Оо где 00 =.- ; G0c = � - относительные р асходы вл ажного и cyG Ox Go x

хого газ а ; d =

.

6

к . в л а гасодержание газа н а Go - Gк Вл а гасодерж а н и е р ассчиты в ается по фор м уле

-r.g; - 1-� g;

d-

в ходе в б а к .

'

где g; - м ассовые доли п а р аобр азных ком понентов г а з а , кото р ы е конденсируются внутри б а к а . Подставляя в ( 1 1 .28) в ы р ажение Goc из уравнения ( 1 1 .26) , полу­ ч а ем :

-Go = [

I

+ !! Т 1

+

(

1

+1 !! Т

Н а рис. 1 1 . 1 О по к а з а н ы з а висимости Со с от А. Т, построенные по уравнению ( 1 1 .29) при р азличных з н ачениях d. Т а к и м обр азом, у р а в н е н и е ( 1 1 .2 9 ) м ожет быть и сп ол ьзов а н о Оо дл я п р и ближен ного р асчета относител ьного р а схода 00 = -.- газ а ,

-

О ах

необходи мого дл я поддерж а н и я з аданного посто я н ного давлени я н аддува в топливном б а ке, п р и известных з н а ч е н и я х вл а госодерж а Т* - Тх на н и я d и относител ьнон и з быточ н о и тем пер атуре !:!.Т = Тх входе в б а к . П о з н ач е н и я м Go и G ox. о п р едел�н н ом у по у р а в н е н и ю ( 1 1 .2 4 ) , н а ходится абсолютн а я в ел и ч и н а н еобходи мого р асхода газа u

206

u

·

( 1 1 . 30 )

<:: остав газа в б аке гор ю чего Н Д М Г Г а зо н а я фаза , объе , r н ы е 1 1 ро це н r ы

М е с 1 0 о тбо р а щюбы га з а :-> Н з

жгг

C �leCI!Te,1 Ь Верх бака Низ бака

жгг

С �1еситель Верх бака Низ бака

0,4 0 ,2 0 ,5 0 ,2 -

0 ,5 0 ,4 0 ,5

1 j co.

0 ,0 0 ,7 0 ,3 0 ,2

0,1 0 ,4 0 ,3 0 ,3

с.н ,

1 1 1 1

,1 ,4 ,2 ,1

1 ,6 1,1 0 ,3 1 ,4

Жи ша я фа з а ,

nесо вые 1 1 ро це н rы

1 о. 1 1 1 1 сн. I А,шны/ндмгl н, о No

со

0 , 25 1 ,2 2 ,0 1 ,о 0 ,8 1 ,4 2 ,9 1 ,6

5 , 35 30 , 6 6 , 7 32 , 4 5 ,2 4 , 9 37 , 8 -

29 , 7 34 , 7 32 , 4 32 , 3

5,6 4,2 5 ,7 7,2

н.

27 , 1 26 ,4 26 , 2 24 , 7

29 , 7 28 , 5 26 , 4 29 ,5

С р едняя темпер атур а г а з а в б а ке согл асно может б ы т ь определ е н а по ф о р м ул е

КН3

35 , 2 1 1 , 8 1 2 , 4 1 7 , 5 58 , 3 1 , 76 74 ,8 20 , 84 3 1 ,О 2 , 6 34 , 4 30 , 1 -

-

-

-

-

-

-

-

3 1 , 6 5 , 35 2 , 1 7 30 , 5 6 1 , 8 1 29 , 2 1 0 , 5 2 , 3 42 , 8 44 , 8 31 ,6 27 , 2 -

-

-

-

-

-

-

-

ур авнению состо я н и я

т _ 1 + d ОгР .ср - -- OoR

( 1 1 . 3 1)

Уг

С р ав нение расчетн ы х и э к спер им е нтал ьн ы х да н ны х

В описанных м етодиках р а счета сост а в а г а з а в топливных б а ­ I< а х и р а схода газ а , необходи мого дл я н аддув а , з аложены некото­ р ы е упроща ющие п р едположени я. Так, в м етодике р а счета соста в а г а з а б ы л о п р и н ято допущение о пол ной конденсаци и п а равой ф аз ы . В фор мулу ( 1 1 .29) дл я о п р едел е н и я потр ебного р асхода газа вхо­ ди т коэфф ициент �. учитыв а ю щ и й теплоотдачу . Численное значение этого коэфф и циента получено в опытах с модел ь н ы м б а ком м алого р аз м ер а . Поэтому возн и к а ет необходи­ мость с р а в н е н и я резул ьтатов р а счета по этим м етоди к а м с экспе­ р и ментал ь н ы м и д а н н ы м и , полученным и при н аддуве н атур н ы х топ­ л и в н ы х б а ков р а кет. В табл . 1 1 .2 п р иведен экспери ментальный состав газа в б а ке гор ючего НДМГ. Газ для. н аддува получ а л и в смесительно й ка­ м е р е, в кото рую посту п а л и продукты сго р а н и я тур б и нного ЖГГ, р а бота ющего на топл иве НДМГ + N 2 04, и б а л л астное гор ю чее [ 1 8]. В т а бл . 1 1 .3 п р и веден эксперимен таль н ы й состав газа в б а ке о ю н �.l Jпел я 80 % H N 03 + 20 % N204, н аддув аемого продукт а м и сго­ р а ш ш тур б и н ного ЖГГ, котор ы й р а ботал на том ж е окислителе и гор ючем тонка- 250 [ 1 8] . Д а н ные та б.1 . 1 1 .2 и т а б л . 1 1 .3 подтвержда ют сп р а ведл ивость п р н н я того выше допуще н и я о в ы п аден и и п а равой ф а з ы и з сост а в :з р а боч его тел а н а ддув а всл едствие конд�нс ации в нутри топл и в н ы х б а ко в . 207

Состав газа в б аке окислителя N204 п р и Т k

R, Дж

Kr • rpaд

СО,

1

NO

1

r =

Т а бл ица 1 1 .3

80' С

ЮЮз l

�,

1

о,

Расчетные данные 12 18 21 24 18 21

1 95 , 45 1 84 , 33 1 8 1 , 68 1 78 , 44

0 , 1 050 0 , 0743 0 , 0638 0 , 0563

0 , 1 440 0 , 1 066 0 , 09 1 9 0 , 0830

1

Сос 1 а п г а з а п :'\tассо п ы х до.1и х

0, 1010 0 , 069 7 0 , 0609 0 , 0534

�О,

0 , 500 0 , 5752 0 , 6060 0 , 6 1 60

Экспериментальные данные

1 294 , 50 1 0 , 32 1 5 1 0 , 1 46 1 1 0 , 30 4 3 1 332 , 56 0 , 1 30 0 , 1 23 0 , 1 89 3

-

1 0 , 006 1 0 , 0055 O , J..l l

:-� ,о.

0 , 1 500 0 , 1 742 0 , 1 784 0 , 1913

, 1

н,о

0 , 222 1

О,·Н2

В т а б л . 1 1 . 3 приведен т а кж е р а счетный состав г а з а в б а ке окислител я в р а з н ы е моменты в р ем е н и (-r = O с соответствует р ас­ четному составу продуктов сгор а н и я ЖГГ ) . l(ак р а счеты, так и экспер и м е нты свидетельствуют о существенном и з м е н е н и и во вре­ мен и сост а в а и газовой посто я н ной р а боч его тел а н аддува в б а ке окислител я . Следует, одн а ко, подчеркнуть, что р ез кое и з м енение сост а в а и R г а з а происходит тол ько в первые 1 5 ... 20 с . Э т о в пол не естественно, т а к в р а боте [ 1 8] показано, ч т о из двух н а и более существенных х и м ических реа кций в нутри б а к а окисли ­ тел я : ( 1 1 . 32) 2NO + O:l � 2N02 ;

2N02 � Np4 ,

( 1 1 . 33 )

реа кция ( 1 1 . 32 ) в основном за к а н ч и в ается в первые 1 5 . . . 20 с, а х и ­ мич еское р а в новесие реакции ( 1 1 . 33) уст а н а в л и в а ется п р а ктически мгновенно. Для пр оверки м етоди ки р а сч ета газа, необходи м ого д .1 Я н ад­ дув а б а ков, были испол ьзов а н ы экспер и м ентальные данные, полу­ ченные при отра ботке н аддува топл и в н ы х б а ко в . Н аддув б а к а го­ р юч его п р пводили продукт а м и сгор а н и я тур б и н ного ЖГГ, р а бота­ ющего н а I<ам понентах НДМ Г + 70 % H N 03 + 30 % N 2 04, НДМГ + + N204 , и п р одукт а м и сгор а н и я одноком понентного Ж Г Г , р а ботаю­ щего н а НДМ Г . Продукты сго р а н и я , отби р а в ш и еся и з Ж Г Г д.п я н аддува б а к а горючего, охл аждались в смесите.пьной I< а м е р е пу­ тем в п р ы с к а жидкого НДМГ [ 1 8] . Н а р и с . 1 1 . 1 1 п р и веден ы р асчетные п экспер п м ен т а л ь н ы е з н а че­ ния р а сходов газа, необходи мого для н аддув а топшшн ы х б а ков р а кет. Р а счет производи.'lся по фор м ул е ( 1 1 .4 4 ) , п р и ч е м з н ачение В бы.по п р и н ято т а к п м , к а к п дл я модел ьного б а к а , а ш.t енно : В * = = О, 1 7. Из р и сун к а видно, что с уве.тш ч е нием р аз м е р а б а J< а по.l уЧ R · 208

Р и с . 1 1 . 1 1 . Расчетные ( с п.чо ш н а я л и н и я ) и экспер и м ентал ь н ы е з н а ч е н и я ( точ к и ) расходов рабочего тел а . необходимого дл я наддува бака горючего

G0 pa c
г-:..___., --т---т---.

ется некоторое з а в ыш е н и е р а с чет­ н ых значений р асхода газа по срав­ н е н и ю с экспери :v�ентальн ы :v� . По­ следнее :v� ожно объясн ить следую­ щ и м и двум я п р и ч и н а :v� и . С увел иче­ ние:v� р аз :v� ер а бака объе:v� его воз­ р а стает б ыстрее, че:v� поверх ность тепл оотд а ч и , что п р и водит к у :v� ень­ шен ию се кундной поте р и тепл а . Та­ к и :v� обр азо:v� , с увел н ч ение:v� р а з :-.l е­ ров б а к а коэф ф и ц иент �* должен о 0, 2 О, б f1o экс,кг/с несколько увел и ч и в аться, что не учи­ тыв а ется п рибл иженной м етоди кой . Другой п р и ч и н о й векоторого р асхождени я р а счетных и экспе­ р и м ентальных д а н н ы х может быть неучет п р и ближенной м етоди кой вл и я н и я р аз м еров б а к а н а пол ноту конденс ации п аравой фазы. Следует Т а J<Же отметить возможность неточ ного о п р едел е н и я вл а гасодерж а н и я р а боч его тел а н а в ходе в б а к . Хорошее сов п адение р а счетных и экспе р и м ентальных д а н н ы х и м еет место, есл и в формул е ( 1 1 .29) дл я больших объемов б а ков з н а ч е н и я коэффициента � * п р и н ят ы р а в н ы м и 0,2 . . . 0,24. Вт оро й способ расчета к ол ич ест ва р абоч е го тел а, необходи мого для н аддува б а к ов

П роцессы, п р о исходящие в б а ке п р и н аддуве гор я ч и м и газ а м и ( теплообмен, конденсаци я , и с п а рение, хим ические р е а к ци и ) , в н а ­ стоя щее в р е м я и зучены недостаточ но, поэтом у теоретическое опре­ деление р а сход а г а з а н а н а ддув б а к а с требуемой точ ностью не п р ед � тавляется возмож н ы м . При р а сч ете гор яч и х с истем н аддува о б ы ч но и с пользуется эффектив н а я р а ботоспособность газа внутрп бака ( R Т ) �ФФ· кото р а я о п р едел яется экспер и м ентальным путем п р и · о т р а ботке гор я ч и х систем наддув а . Р а ботоспособность г а з а наддув а внутри б а к а р ассч итывается по ф о р м ул е

( 1 1 . 34 ) т , Н/м 2 ; v·, - объем г а зовой « поду ш iш» в б а к е н а момент времени т , м3 ; G:Е.т - ко.1 п чество г а з а , изр асходов а нного н а н аддув б а к а к :v�о:.v! ен ­ ту в ре :v�ен н т , кг. Кол и ч ес тво и з р асходов а н ного газа н а н а ддув бака н а м о :v� е п т B fJ C :\I e н п т о п р е.l.е.l Я .;l о с ь н з в ы р а ж е н и я

г де р, - а бсо.1 ютное давление в ба к е н а м о мент в р е м ен и

о)], = Оа + Ьгv,,

209

где 00 - м а сса газа предв а р и тельного н аддув а в кг; Gг - сум м а р ­ н ы й секундны й р а сход г а з а н а наддув б а к а в кг/с. О бъем газовой « подуш iШ » н а момент времени т о п р едел яется и з в ы р ажения

где Vo - объем недол и в а то плив ного бака п р и з а п р авке в м 3 ; V ­ секундное з н ачение объем ного р а схода жидкости и з б а ка в м3/с . Вел и ч и н а ( R Т ) эФФ явл яется функцией всех п а р а м е гров, х а р а ктер и ­ зующих процессы в б а ке п р и н аддуве гор яч и м и г аз а м и . А н а л и з экспер и м ентальных д а н н ы х по наддуву н атур н ы х б а ков показ ы в а ет. 1 . Н а р а ботоспособность г а з а в нутри б а к а оказыв а ет в л и я ни е конструкция топливного бака, тем пер атур а ж идкости внутри б а к а , темпер атур а г а з а н а входе в б а к , количество п аравой ф аз ы , соде р ­ ж а в шейся в р а бочем теле н аддув а . 2 . В процессе р а боты систе м ы н адДув а происходит стабил и з а ­ ция ( R Т ) аФФ ( с м . табл . 1 1 .2 и 1 1 . 3) . П оэтому п ри р асчете необходимого количества г а з а н аддува можно использовать ч исл енные з н ачения ( R Т ) зФФ · соответствую­ щие в рем ен и т = 20 . . . 30 с. В р а боте [ 1 � п р иведсн ы а н а л итические з ависи мости и моногр а м ­ м ы дл я о п р еделения ( R Т ) зФФ от вел и ч и н ы к о м плекса Kv. Ниже п р иведсн ы некоторы е ур авнения дл я р а счета ( R T) зФФ от комплекса к,-, з а и м ствов а н н ы е из р а боты [ 1 8]. к

.v

v = a p,

( 1 1 . 35)

где V и G - объем и м асса топл ивного б а к а соответственно . Ком плекс К v уч итывает конструктивные особенности топливно­ го б а к а . _ З а висим ость (R Т ) зФФ о т ком плекса K v м ожно з а писать п р и н ад­ дуве от газогенер а т ора и см есителя и м еет вид дл я б а к а с горюч и м ( керосин, тонка-250, НДМГ и др . ) с н ад­ дувом от с м есител я :

( 1 1 .36) п р и 1 :::;;; Тн :::;;; 30° С ; дл я б а к а с N204 с н аддувом от газогенер атор а :

( 1 1 . 37) при 1 :::;;;; Тн :::;;; 25° С. У р а в нение ( 1 1 . 3 7 ) можно п р и м е н ять дл я р асчета (R T) зФФ в п н ­ тервад е тем пер атур 2ОО :::;;; Т вх :::;;; 700° С с о ш и б кой до 7 % . 210

Се1.;ундн ы й р а сход м а ссы г а з а G 0 н а н аддув о п р еделен по формул е о .

_

о-

Ро Vб

б а к а м ожет б ыт ь

( 1 1 . 38)

(R Т)эФФ

где ( R Т ) эФФ - эффектив н а я р а ботоспособ ность г а з а в нутри б а к а . Р а счет секундного р а схода м ассы г а з а G� н а н аддув б а к а п р о ­ води тся в следующей последов ател ьности . 1 . П о давлению г а з а в б а ке рб, объему б а к а V и м ассе б а к а G - о п р едел яют ком плекс К v по фор м ул е ( 1 1 .47) . 2 . П о компл ексу Kv и з ад а н н ы м п а р а м етр а м Твх и Тн о п р едел я­ ют (R T) :эФФ по ф о р м ул е ( 1 1 .36) и л и { 1 1 .37) в з ависи мости от того , р ассч иты в а ется р а сход г а з а для наддув а б а к а горючего или о ки с ­ л ител я . Дл я о пределения { R Т ) эФФ можно использов ать т а кже г р а ­ ф и ки з а в и с и м ости { R Т ) эФФ = f ( Кv ) , п р и веде и н ы е в р аботе [ 1 5]. Н а стадии эскизного проектир-о в а н и я дл я в ы б р а нной конструк­ ции топл и в н ого б а ка испол ьзов а н и е з а висим остей ( 1 1 .36) { 1 1 .37) д а ет возможность л егко р а ссчитать п а р а м етр ы систе м ы н аддув а . Определение п а р а м етров систе м ы н адду в а по экспер и м енталь­ ным з а в и си мостям { R Т ) эФФ = f ( Кv ) з н а ч ительно упрощает в ы бор их н а стадии эскизного п р оекти р о в а н и я р а кеты. ...

1 1 .5. МАССА К О Н СТ Р У КТ И В Н Ы Х ЭЛ ЕМ Е Н Т О В С И СТ Е М НАДДУВА Т О П Л И В Н Ы Х БА К О В

В есова я сводка вкл ючает перечень основных узлов, а г р е г а т о в и трубопроводов, входящих в систему п и т а н и я с указанием и х м а ссы. Н а с т а д и и эскизного проекти р о в а н и я м асса узлов и а г р е г а ­ тов о п р еде.'l яется п р и бл изительно с учетом статисти ч еских д а н н ы х и о п ы т а п р оекти р ов а н и я а н ал о ги ч н ы х систем п и т а н и я . В есов а я сводка необходи м а дл я первонач альной оценки м ассы систе м ы п и ­ т а н и я и подтвержден и я соответствия ее величине, з а д а н н о й в техни­ ч еском з а д а н и и . Дл я р а кет и р а кет- носителей, р а ботающих н а высококипящих ком понентах топл и в а , б ыл произведен а н ализ м ассы конструкти в­ н ы х эл ементов систем ы н аддув а . Анализ п роводился по г а з о б а .'l ­ "l о н н ы м и «гор я ч и :и » с и стем а м н аддув а . Б ы л и р асс:и отрены и оце­ н е н ы х а р а ктеристи ки узлов н аддува ( г а зогенер ато р ы , см есител и ) ; б а л л онов высокого давлен и я ; систем н аддув а ( с узл а м и а втом ати ­ Iш ) топл и в н ы х б а ков с уч етом м а ссы крепеж н ых дет а л е й . Г ор я ч и е с и стем ы наддув а

А н а.1 нз р а зл н ч н ы х в а р и а нтов конструкци и газогене р а торов, п р и м е н я е м ы х в систем а х н а ддув а б а ков р а кет н а с а мовоспл а м еня ­ ющи х с я высококипящих к омпонен та х топлив а , п о к а з а л , что м асса конструкцпп г азогенер а торов п р я м о п р о п о р ци о н а л ь н а секундно м у 21 1

G см 0, 8

,

кг

D, б

0, 4 0, 2 0, 5

О

0, 5

.

1G.г, кгjс

1

1

f1

о

-

_,.

v

7 1

10

'

;

20

"..,.,..

?

1

1

1

i

11

_

1

i

i

1

JОG. см/Рсм · 108 кг · м!Н · с

Рис. 1 1 . 1 2. Зависимость м ассы констру кции г азогенераторов наддува от секундного расхода газа

Рис. 1 1 . 1 3. Зависимость м ассы констру кции с м есите.1 я н аддува от с е кундно го расхода газа и давл е н и я в камере

р а сходу газа и обр атно пропорцион а л ь н а дав.11ению в газогенерато­ ре. На рис. 1 1 . 1 2 представлена з а висимость м ассы конструкции газогенер ато р а н аддув а от секундного р асхода газа Gгг = f ( G�) . а н а рис. 1 1 . 1 3 - м ассы конструкции смесите.1 е й н аддув а от секундi"!ого р асхода г а з а и давления в к а м е р е

G

см =

( )

f 0с '1 Pc ,t

•

Массы конструкци й «гор ячих» систем н аддув а дл я р ю<ет р ас­ счптывались п о следующей з ависимости :

О'К = Ог + От р + Ок р• где Gгг - м асса констр укци и г азогенер аторов н аддув а ; Gтр - м ас­ с а конструкции трубо проводов и а р м атуры (эл е ктропневмокл а п а ­ н ы , р ел е давления, предохра нительные и дренажные кл а п а ны , узе.1 ввода г а з а н аддув а и Т· д. ) ; Gнр - сум м а р н а я м а сса дета.1ей кре­ пеж а . Сум м а р н а я м асса конструкции Gн горячих систем наддув а ( пр и р асположении газогенер ато р а в хвостовом отсеке р а кеты ) з а висит от м ассового секундного р асхода газа н а наддув б а к а ; давления в газогенер ато р е Ргг; давления г а з а в � а ке ( �онеч ного) рб ; объемно · го секундного р а схода ком понента из б а к а V. · Масса газогенер ато р а н адду в а п р о порциональна секундному р асходу г а з а н а н аддув, т. е. М а сса трубопровода наддув а пропорциональна ди а м етру и дл и ­ не трубоп ровода, т. е.

212

Gт:> � d , /тр; l , p �

�: = Нб ,

где V б и Fб - объем и площадь топл и в ного б а к а ; Н б - дл и н а топ­ .1 и в ноrо б а к а . Нетрудно з а м етить, что при известных п а р а метр а х р а бочего те.11 а н а ддува можно з а писать соотношени я диа метр а и площади праходного сеч е н и я трубопровода :

G г � V рб ;

t:.p = pr - Pб .

где Fтр - площадь проходнога сечения трубопровода ; Ргг. Рб ­ давление в газогене р а то р е и баке соответственно. Таким образом, в общем случ ае м � жно з а п исать, что Ok = f (0 , t:.p, Рб • t-· , Н б).

Н а осно в а н и и изложен ного был введен rшм п.11екс

Ка =

tf ;�� Нб .

О цен к а м ассы конструкции «горячих» систем н аддува существу­ ющих р а кет производил ась по з ависимости

Ок = f (Ка) ,

ф а ктические з н а ч е н и я rшторой п р едставлены н а р ис. 1 1 . 1 4. Анализ конструкций «горячих» с и стем н аддув а п о к а з а л , что м асса конструкци й «горячей» систе м ы н аддува при р а с положении газогенер ато р а н аддува непосредственно н а баках меньше м а ссы конструкц и и систе м ы н аддува в случ а е р а сположе н и я газогенерато­ ра непосредственно у двигателей (в хвостовом отсеке р а кеты ) на 30 .. .40 % . В посл еднем случ а е з н ач ительную дол ю в сум м а р ной м ас­ се конструкци й систе м ы н аддува составл яет м асса трубопроводов н аддува с крепежом ( > 50 % Gи) · П р и этом в случ а е р асполож е н и я г азогене р а тор а н адду в а непосредственно н а б а к а х масса конструкц 1 1 и систем н аддува состав­ л я ет 20 . . . 25 % от ее су м м а р ­ н о й м а ссы, т. е . G к = ( 2 0 . . . 2 5 ) % Gr., где

G1: = Gи + Gp.т;

Gр.т

м а сс а р абочего тел а газа наддув а . П р и р асполож е н и и газо-

Р и с . 1 1 . 1 4. Зависимость массы конст­ р у к ц и и « горя ч и х » с истем н а д дува от комnлекса К. G

о

15, 6

!Об, В

1 78

213

,--200 100 Г1

/

""

�/

!'"

/

-

/

зс г--г�--���74-�� zo

-

г--r--����L---�

о

Рис. 1 1 . 1 5. Зависимость м ассы газобадлонной системы наддува от объе м а бака и давл е н и я газа в н у т р и б а к а Рис. 1 1 . 1 6. Зависимость м а с с ы баллонов в ы с о к о г о давл е и и я от объе м а баллона:

1 - б а л л о н и з т и т а н а n р и р = 20 ± 1 М П а ; 2 - б а л л о н и з т и т а н а n р и р = 30 ± 2 М П а ; л о н и з с т а л и n р и р = 20 ± 1 М П а

3 - бал­

генер атор а в хвостовом отсеке м асса конструкции систе м ы надду­ ва ·составл я ет 3 0 . . . 40 % от су м м а р ной м ассы систе м ы наддув а , т. е. Gн = (30 . . . 40) Gт.. Газобаллонн ые систем ы н аддува

Анализ газобаллонных систем н аддува производился п о сл еду­ ющей з а в и с и м ости :

Ок = Об + О т р + Окр • где Gu - м асса б аллонов. В р езультате проведеиного анализа газобалло н н ых систем над ­ . дув а уста новл ено, что м асса конструкции газоб аллонной системы н аддув а линейно з ависит от о бъем а топливного бака и ве.тш ч и н ы давлен и я г а з а в б а ке в конце наддув а . Н а р и с . 1 1 . 1 5 п р и веде н а з ависи мость G = f ( Vб , Рб . к) . Э т а з а в и ­ симость а п проксим ируется за в исимостgю вида

Ок = 1 1 + 2 , 7 (рб.кVб) · Ю-5 , где Рб.к - давление г а з а в нутр и б а к а в конце р а боты систе м ы н ад­ д ув а , Н/м 2 ; Vб - объем топл ивного б а ка , м3• Н а р и с . 1 1 . 1 6 п р иведе н а з а в и си мость м ассы газовых б аллонов от объем а баллона и вел и ч и н ы давлен и я . Из р и сунка в идно, что м а сса б ал л о н а з ависит от вел и ч и н ы давл е н и я и м атер и а л а , и з ко­ торого и з готовле н баллон. Т а к , и зготовление ш а р овых б ал.тюнов пз т и т а н а позвол яет уменьшить м а ссу б аллона н а 30 % п о с р а в н е­ н и ю с м ассой ш а рового бадл о н а , и з готовденного и з стали . Необходи м о отметить, что м асса конструкции газобалл о н н ы х снетем н аддува составляет 70 % от ее сум м а р н о й м ассы с учетом газа н аддув а , т. е . 30 % п риходится на м а ссу р а боч его тел а н а .:t­ дув а . 214

С П И С О К Л И Т Е РА Т У Р Ы

1 . Абрамов ич Г . Н . Прикладнан газовая динамика. М. : Наука, 1 969. 824 с. 2. А гроскин И . И ., Дмитриев Г. Т., Л икал ов Ф. И . Гидравлика. М.: Э нергия, 1 964. 484 с. 3. Аксельр од Э. Л . , Ильин В. П . Расчет трубопроводов. Л . : Машинострое­ ние, 1 975. 240 с. 4. Алемасов В . Е., Дрегал ин А. Ф., Ти ш ин А. П . Теория р а кетных двигате · л eil . М . : l\1ашиностроение, 1 980. 534 с. 5. А л ьтш ул ь А. Д. Гидра влические сопротивления. М . : Недра , 1 970. 374 с. 6. А л ьтшуль А. Д., Киселев П . Г. Гидравлика и аэродинамика. М. : Строй­ издат, 1 975. 274 с. 7. Аронов ич Г. В., Картвелишпили Н. А., Л юбим це в Я . К. Гидравлический уда р и уравнительные резервуа ры. М . : Н аука, 1 968. 247 с. 8. Антрощенк о В . И ., Кар г ин С. Н . Технология азотной кислоты. М.: Госх и м ­ издат, 1 954. 4 9 4 с . 9. Балдина О. М., Байтина Ц . М. Образованне вихревых воронок над опуск­ н ы шi трубами. - Теплоэнергетика, 1 955, N2 1 0, с. 1 7-2 1 . 1 0. Баррер М . и др. Ракетные двигатели. М. : Оборонгиз, 1 962. 799 с. 1 1 . Башта Т. М. Гидрапровод и гидропневмоавтоматика. М.: Машинострое­ ние, 1 972. 320 с. 12. Башта Т. М. Машиностроительн а я гидравлика. М.: Машиностроёf!ие, 1 9 7 1 . 67 1 с. 1 3. Бели к Н . П . К р асчету собственных ч а стот колебания ж идкосп 1 в слож­ ных трубопровода х . Изв. вузов. Сер. авиацио н н а я техника, 1 965, N2 2, с. 3-8. 1 4. Беляев Н. М. Термоди н а мика тела переменной м ассы. Днепропетровск: Изд. ДГ�'. 1 98 1 . 1 1 2 с. 1 5. Беляев Н . М. Ра счет п невмогидросистем летательных а п п а ратов. Днепро­ петровск: Изд. ДГУ, 1 98 1 . 1 1 2 с. 1 6. Беляев Н . М., Бел и к Н. П ., Ува ро в Е. И . Реактивные с истемы управле­ ния косм ических летательных а п n а р атов. М. : Машиностроение, 1 979. 232 с. 1 7. Бел яев Н . М., Шандаров Г. С. К воnросу о воронкаобразовании без вра­ щения при сдиве ж идкости через донные отверстия. - Гидроаэромеханика. Харь ­ ков : Изд. Х ГУ, в ы п . 2, 1 965, с. 27-32. 1 8. Беляев Н . М . Снетемы наддува топливных б а ков р а ке т. М. : Машино строение, 1 976. 336 с. ( 1 9. Бедяев Н . М. Исследование прогрева жидкости п р и П(\ЦВОде теплового потОI<а со стороны свободной поверхности. - Гидро�1еха ника и теория упруго­ с п i . Харьков : Изд. Х ГУ, вып. 3 . 1 966, с. 2 1 -33. 20. Бер ж еро н Л. От гидравдического удар а в трубах до р а зряда в электри­ ческой сети. М . : Маши ностроение, 1 969. 348 с. 2 1 . Блохи н В. И . Экспериментадьное иссле д ова н и е гидра влического удар а в м а гистрадьном трубопроводе с тупиковым отводом . - В кн. : Н а учные исс.'lедо­ в а п н я по тепдотехнике в 1 970 г. Л . : Энергия, 1 97 1 . с. 3 - 1 4 . 22. Ботук Б. О. Гн д р а в .1 п к а . М . : Высшая ш ко.'lа, 1 962. 450 с. 23. Бугаенко В. Ф. Пневмоавто�1 ап1ка р а кетно-кос�шческих спсте�1 . М. : Ма­ ш иностроение, 1 979. 1 68 с. 215

24. Васильев А. П . , Кудря в цев В. М. Основы теор ии 11 р а счета жидкостных двигателей. М. . : В ысшая школа, 1 968. 675 с. 25. Волков Е. Б., Сы рицын Т. А . , Мазин г Г. Ю. Статика и дю1 а �шка ракет­ ных двигательных уста новок. М. . : Маши ностроение, 1 978. 26. Володин В . А. Конструкция 1 1 проектирование р а i<етных двигате.1ей. М. . : Машиностроение, 1 97 1 . 336 с . 2 7 . Глуш ко В. П . Развитие ракетостроения и кос�юнавтики в СССР. ,\\ . : .Ма ­ ши ностроение, 1 98 1 . 206 с . 2 8 . Глушко В. П . Ра кетные двигатели ГДЛ-ОКБ. М. : Изд-во АП Н , 1 975. 36 с. 29. Гурев ич Д. Ф. Трубопроводная а р матур а . Л.: Машиностроение, 1 975. 3 1 2 с. 30. Гл юк и др. Искривление поверхности ж идкости п р и ее расходе из бака в условиях близких к невесомости. - Вопросы ракетной техники, 1 967, .J\"2 5, с. 45-55. 3 1 . Дви гател ьн ые установки ракет на ж идком топливе/Под р ед. Эллнот Ринг. М. . : Мир, 1 966. 402 с. 32. Де Бро к и др. Системы подач и топлива, использующие силы поверх ност­ ного натяжения . - В опросы ракетной техники, 1 967, .N'2 2, с. 34-49. 33. Добровол ьский М. В. Жидкостные р а кетные двигатели. М . : Машино­ строение, 1 968. 395 с. 34. Егоров А. И . Гидравлический расчет трубчатых систем для распределе­ ния воды в водопроводных очистны х сооружениях. М..: Госиздат п о строитель­ ству, архитектуре и строй м а териала м , 1 960. 247 с. 35. Жуков ски й Н . Е. Избранные соч инения. Т. 2. М. : Гостехиздат, 1 948. 422 с. 36. Идельчи к Н. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлени я м . М.: Ма­ ш и ностроение, 1 975. 559 с. 37. Исследование и разра ботка псрспсктивных систем наддува . - Воп росы ракетной техники, 1 969, .N'2 2, с. 36-54. 38. И одис С. В . Двигательные уста новки космического корабля «Апол­ JЮН». - В опросы р а кетной техники. 1 969, .N'2 1 2. с. 1 7-29. 39. Кении и Ф ридман. Наддув топливных баков путем в п р ыска реагирую­ щего компонента . - Вопросы ракетной техники, 1 966, .N'2 7, с. 1 3-27. 40. Киселев П . Г., Альтш уль А. Д., Даничен ко Н . В . Справочник п о гидрав­ лическим расчета м . М. . : Энергия, 1 974. 3 1 3 с. 4 1 . Ков ит . Ракеты Сатурн. - Вопросы ракетной техники. 1 965, .J\2 9 , с. 5 1 -64. 42. Колесн и ков К. С., Самойлов Е. А . , Рыбак С. А. Дина мика топливных систе�1 ЖРД. М . : Маши ностроение, 1 975. 1 7 1 с. 43. Комар о в А . А ., Сапо ж ников В . М. Трубопроводы и соединения для гид­ росистем . М. : Машиностроение, 1 967. 232 с. 44. Космонавти ка. Маленькая энциклопедия/Под ред. В. П . Глушко. М..: Советская энциклопедия. 1 970. 592 с. 45. Кр юк ов А . И., Гл инки и И . М., Фионин В . И. Гибкие металлические ру­ кава. М.: Машиностроение, 1 970. 204 с. 46. Кутателадзе С. С., Боришанск и й В . М . Справочник п о теплопередаче. М . : Госэнергоиздат, 1 959. 4 1 4 с. 47. М а �юнтов М . А. Некоторые случа и течения газа. М.: Оборо нгпз, 1 95 1 . 594 с. 48. Махин В . А., П рисия ков В. И., Белик Н. П . Ди н а м ика ж идкостных р а ­ кет н ы х двигателей. М . : Маши ностроение, 1 969. 384 с. 49. Механика в СССР за 50 лет. Т. 1 1 . М.: Наука, 1 970. с. 328-329. 50. Микuшев 1". Н ., Рабино вич Б. И. Динамика тонкостен н ы х конструкцнl1 с отсек а �ш. содержащи�ш жидкость. М . : Машиностроение, 1 97 1 . 3 1 1 с. 5 1 . М оисеев И . В . , Степанчук В . Ф. Расчет истечения нз резервуа р а . - Изв. вузов. Сер. э нергетика, 1 966, .J\"2 4, с. 69-73. 52. Морозов И . И . П р п бmJжсшi ы ii р а счет процесса опорожнения г а з о в о й е�IКОСТII. - ИФЖ, 1 959, .,\"g 1 7, с. 45-5 1 . 53. Морозов И . И . , Ес ин В . И . К о п реде.1ению показате.1я политропы п р оцес· са р а сширения газа в б а .1.1 о н е в ысокого да ваения . - ИФЖ, 1 964, N� 6, с. 20-25. 216

54. М ошкин Е. К. I lестационарные реж ш ш ра боты /КРД. М . : М а uш н острое­ ние, 1 970. 205 с. 5 5 . Пен цак И . Н . Тео р и я п олета и к о н с т р у к ц и я G а .1.1 и с т и ч е с iш х р а к е т . М : Маши ностроени е, 1 974. 344 с. 56. П етр о в Г. А. Гидр а влика переменной м ассы. Движение ж iцкоспi с ю ­ м енение�I р асхода вдоль пути. Изд. Х ГУ, 1 964. 224 с. 5 7. П нев могидравлическ ие систем ы двигательн ых уста новок с ж и дкост н ы �ш р а кетны �ш дв игате.'!юш/Под ред. акад. В. Н. Челомея. М . : М а ш и н о с т р о е н и е , 1 978. 240 с. 58. П оликонский В. И., Перельма и Р. Г. Воронкаобразование в жидкосш с открытой поверхностью . .М . : Госэнер гоиздат, 1 959. 1 9 1 с. 59. П ортер , Станф орд . В ытеснительные устройства для топливных снсте�1 космнческих а п п а р а тов. - Вопросы р а кетной тех ншш , 1 966, .N'2 4, с. 57-65. 60. Сап ожн и ков В. М. Монтаж н испытания гидравлических и пневматиче­ ских снсте�1 н а .1етател ьных а п п а ратах. М . : Машиностроение, 1 972. 27 1 с. 6 1 . Саттон Д. Рю,етные двнгатели. М. : ИЛ, 1 952. 328 с. 62. Сидо в В. И . Об одной задаче на полнения перемен нога объе�1 а сжаты м газом. - Гидроаэромеханика . Харько в : Изд. Х П', в ы п . 2, 1 965, с. 1 5-23. 63. Сидов В. И., Mopyra Г. А., Ч ерем ных М . М. Теплооб �1ен в газовой емко­ сти п р и опорожнении. Гидроаэромеханика. Харько в : Изд. Х ГУ, вып. 4, 1 966, с. 28-3 1 . 64. Сизонов В . С . О динам ическом провале уровня свободной поверхностн ж идкости конечной глуби н ы над сли в н ы м отверстие м . - Изв. А Н СССР. Сер. меха ника жидкости и газа, 1 97 1 , вьш . 6, с. 72-75. 65. Синярев Г. Б., Д о бр о в ольский М. В. Жидкостные р а кетные двигатели. М.: Оборангиз 1 957. 580 с. 66. Слуцкий Е. Е. Таблицы вычисления непалной Г-функции и функци и ве­ роятности. Изд. АН СССР, 1 950, 71 с. 67. Стифф. Двигательные установки р а кеты- носителя «Тита н -3». - Вопросы ' р а кетной техники, 1 965, 23-3 1 с. 68. Токарев В. Е. Истечение жидкости из емкости с образованием ворон­ кн . - Изв. вузов. Сер. Авиационная техника, 1 967, .N'2 3, 37-43. 69. Цейров Е. М . Вопросы тер модинамики воздушных выключателей. М-Л . : Госэнергоиздат, 1 963. 2 8 6 с . 70. Ч арный И . А. Неуста новившееся движение реальной жндкостп в трубах. М . : Н едра , 1 975. 296 с. 7 1 . Шеия ков А. А . Автоматика авиационных и ракетных силовых уста новок. М.: Машиностроение, 1 970. 660 с. 72. Эдельман А. И . Топливные кла п а н ы жидкостных р а кетных двигателей. М. : Машиностроение, 1 970. 244 с. 73. A l len D. Т., Bekemeyer L. G . Design of the Saturn S-IV Sta ge Propel l a пt Uti l i z a tion System. I R E I nternat. Convent. Rec. 1 0, 1 962. 74. Di stortion of а free surface during tank d i sharge. Journa l of Spacecra ft а п d Rockets, 1 966, 3, N 1 1 . 75. The formation of а dip the surface of liquid dra i пing from а tank. F l u i d Mechanics, 1 967.

О ГЛ А ВЛ Е Н И Е

Предисловие .

.

.

.

.

.

.

•

.

.

.

.

.

.

.

•

•

Стр

. . . . . .

.3

Глава 1. О б щие сведения о ракетах и ракетных двигател ях

4

Глава 2. Ос н ов н ые сведени я о п нев могидравлических системах

12

2. 1 . Системы nитания. Назначение систем nитания и основные требования к н и м . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Пневмогидравлическая схема р а кет с Ж РД . . . . . . . 2.3. Систе м ы наддува. Основные требова н и я и классификация

Глава 3 . Т ру б опроводы

•

•

.

. . . . . . . . . . . . . . .

.

.

.

.

.

.

.

•

.

Г.шва 4. Т оп л и вные б аки . . . 4. 1 . Назначение тоnливных баков. Основные требования и задачи проектиров а н и я . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Расположение баков на ракете. Формы тоnдивных баков 4.3. Арматура тоnливных баков . . . . . . 4.4. Ра счет объемов топливных баков . . Глава 5. Неко т ор ые п роцессы в топли в н ых б аках п ри их опоро жн ении 5. 1 . Качественная сторона протека н ия внутрибаковых п роцессов . . 5.2. Прогрев ж идкого комnонента п р и н а ддуве тоnливных баков горяч и м и газа м и . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Образование жидкой nленки п р и опорожнении тоnливных баков 5.4. П роцессы над сли в н ы м и отверстиями топливных баков 5.5. Предотвращение кавитации в заборном устройстве . 5.6. Тер �юди н а м ика газа в баке . . . . . . . . . . . . . . .

.

.

.

·

.

Глава б. Расч е т п араметров газа в ем кости п ри ее опоро жн ен и и

6. 1 . О J{оэффициенте расхода nри истечении газа . . . . . 6.2. Ра счет n а р � метров газа в емкости n р и е е оnорожнении через отверстия nостоя нного и nеремениого сечения 6.3. Расчет п а р а метров газа в емкости п р и ее оnорожнении через газовый редуктор . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4. Сравнение ра счета с эксnериментальны м и да н н ы �ш . . .

Г.юва 7.

218

Расчет п араметров г а з а в б аке п ри его надд у ве .

7. 1 . Расчетная схема задачи . . . . . . . . . . . 7.2. На полнение е�шостп nостоя нного объема . . . 7.3. Наnолнение е:1ш0С1 И , объем которой является линейной функцией вре�1ени . . . . .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

26 36

3.2. Назначение трубоnроводов. Оснqвные требова ния n р и nроектировании трубопроводов . . . . 3.2. Конструкция трубопроводов и элементы и х креплени я 3 . 3 . Соединение трубоnроводов . . . . . . 3.4. В ы бор диа метров трубоnроводов . . . . .

12 21

•

.

•

•

36 39 41

43

46 46 49 53 57

60

61

65 75

78 84 86 91

91

93

1 00 1 03

1 05

1 05 1 07

1 08

Г лава 8. Забор ные устро й ств а топливны х баков

8. 1 . 8.2. 8.3. 8.4.

.

•

Стр.

1 12

. . . . . . .

.

•

1 12 1 23 1 30 1 32

Основные требования и классификация заборных устройств Ко.1ьцевые заборные устройства для отбора топлива из бака Проектирование заборных устройств топливных баков Расчет остат ков незабора компонентов топлива . .

.

.

.

.

Г лава 9. Некоторые заДачи гидродинам ики топливных б аков .

.

.

1 38

.

9. 1 . Расчет процесса перелива компонентов топлива из секционных баков 9.2. Ра счет закольцов1ш топлнвных баков при пакетной компоновке ра кет . . .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

•

.

.

.

.

.

.

•

•

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

Г лава 10. Гидравл ически й удар в системах п итания ЖР Д .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

1 64

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

•

.

.

.

•

.

.

.

1 68

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

•

.

.

.

.

.

Глава 1 1. В ы б ор параметров с истемы п итания

1 1.1. 1 1 .2. 1 1 .3. 1 1 .4. 1 1 .5.

. . . . . . . Потери давленИя жидкости (rаза) в топливных м а гистралях В ы бор величины давления наддува топливных баков . Давление предварительного наддува Выбор п а р а метров системы наддува . Масса конструктивных элементов систем наддува топливных баков .

Сп исок литературы

•

.

.

.

.

•

•

•

.

.

.

.

.

.

.

.

.

1 47 161

.

1 0. 1 . Гидра влический уда р в систе ме питания однока�1ерного дви г а теля 1 0.2. Гидра влический уда р в системах питания м ногока мерных двигателей 1 0.3. Гидра влический удар в снегемах питания п р и конечном временн закрытия кла пана 1 0.4. Пример р а счета гидра влического уда р а в трубоп роводе с тупиком .

138

.

.

•

.

.

•

.

•

.

.

.

.

.

.

.

.

.

1 73 1 87 1 90 1 92 1 97 20 1 202 21 1 215

ИБ .N2 3880 Беляев Н и кола й Миха й лович РАСЧ ЕТ П Н Е В М О Г И Д РА В Л И Ч ЕС К И Х С И СТ ЕМ РА К Е Т

Р е д а ктор Л . И. Ковалепко Художестве н н ы й оеда к т о р В. В. Лебедев Т е х н н ч е с к и l! р е д а к т о р Н. Н. СtЮТН!IКОва Корректор Л . • 1 . Георгиевская

Псрепдет худож ника А . Я. Михайлова

Сда н о в н а бор 1 5 .0 4 . 8 3 . Под п и с а н о в n е ч а т ь 09 . 1 1 .83. Т- 1 7479. Ф ор м а т 60 Х 90 1 / 1 6 • Б у м а г а т и nогра ф с к а я N• 2 . Г а р н ит у р а д 1 1 т е р ат у р н а я . У с д . n е ч . •' · 1 4 ,0 . Ус.• . к р . - от т . 1 4 , 0 . У ч . · и з д . ·' · 1 4 ,6 4 . Т и р а ж 3754 э к з . З а к а з 1 7 1 8 . Ц е н а 1 р . 1 0 к . Орде н а Трудового К р а с ного З н а ме н и и з д а т е д ьство « М а ш и нострое н и е » 1 0 7076, Москва , Б - 76, С т р о м ы н с 1ш i! п е р . , 4 .

Московс к а я тиnогра ф и я N'• 8 С о ю з n о д и г р а ф n р о м а n р и Госуд а р с т в е н н о м к о �штете С С С Р п о дела �1 издательств, n о л п r р а ф ш r п к н и ж п о n торговл и , 1 0 1 �98, М о с к в а , Ц е н т р . Хох.1ов< к и i i п е р , 7 .

Печать

высока я .

У важае.мые товарищи читатели!

В 1 984 году изда тельство «Маши ностроение » в ы пускает р яд к н и г, р аспр остр а няем ых только п о подписке. Под п и с к а п р и н и м ается м а гази н а м и п од п и с н ы х и з д а н и й , отде ­ д а м и подп исных и зд а н и й уни верс адьных к н и ж н ы х м агазинов, а та кже специлизи р о в а н н ы м и м а газин а м и ( о п о р н ы м и п у н кт а м и и з­ д а тел ьств а ) . Книги, р а с п р остр аняем ы е п о подписке, в о б ы ч н у ю п р одажу не поступа ют. П одписка на· специ а л ь н ы е н а учно-техн ические книги - удо б ны й с п особ обслужи в а н и я покуп ателей, он г а р а н т и р ует п р и обретение к н и г и и эконо м и т в р е м я . Пр и оформлении п од писной квитанции и ндивидуальные п о ку­ п а тели пол ностью о п л а ч и в а ют книгу. О р г а н и з а ци и и п р едп р и я т и я офор м л я ют с в о и з а к а з ы н а к н и г и , р ас п р остр а н я е м ы е п о подп и с ке , г а р антий н ы м и п ис ьм а м и . Подп иска н а книги в ыпуска 1 984 года будет п роизводиться только до 30 дек а б р я 1 983 г . Н иже п р и водится список некотор ы х книг, р ас п р остр аняем ых п о подписке. И денти ф и ка ц ия систем у п р авления ави ацион н ы х га зотур б и н н ы х двигателей/Августинович В . Г . , Акиндинов В . А . , Боев Б . В . и д р . 1 5 л. В книге р ассмотрен ы м етоды и р езул ьтаты оценки сходи м ости теор етических исследо в а н и й с н атур н ы м эксп е р и м ентом и м одел и ­ р о в а н и я систе:\I у п р а в л е н и я а в и а цион н ы х дв·и г ателей. Д а н ы р еко­ м ендации п о выбору адекв атных и п р я м ы х м етодов идентиф и к а ц и и эксп е р и м ентальных х а р а ктер исти к ·дв игателей и эл е м е н тов авто:-.I а ­ тики п р и искажен и и и н ф ор м а ц и и . Книга п р едн а з н а ч е н а дл я инженеров-р асчетчи ков а в и ационной п р о м ы шленности. К о п ел ев С. 3 . П роектпров а н и е п р оточной ч а сти тур б и н авиаци­ онных днигател е й . 1 5 .1 . В книге из.1 о ж е н ы :-.1 етоды в ы б о р а и р а счета п а р а м етров п р оточ ­ н о й ч а сти газовых тур б и н , п р о ф ид и р о в а н и я сопловых и р а б о ч и х .1 о п а ток. П р и в еден газоди н юi И ческий р а счет ступеней тур б и н ы . Да ­ н ы способы р а счета ох.1 ажда е?.1 ы х .1 о п аток и гидр авд ических п о ­ терь в них. К н и г а п р едн азн ачен а д.1 я и н ж енеров- конструкторов а в и а ц ион ­ н о й П р О:'I! Ы Ш .l е Н Н О СТ И .

Расче т н а прочность а в и а ци о н н ы х газотур б и н н ы х двигател ей/ Б и р гер И . А . , Да ревекий В . М . , Демья11уш ко И . В. и др. 18 л. В книге изложены сов р е м е н н ы е м етоды р а счета н а прочность, жесткость и дол говечность деталей га зотур б и н н ы х дв и гателей с учетом нестационар ности н а груж е н и я , ш1 астичности и ползучести м атер и ал а . Обобщен ы экспер и м ентальные д а н н ы е , н а копл е н н ы е п р и исследов а н и и проч ности а в и а ц ион н ы х дв и г а тел ей. К н и г а п р едн а з н а ч е н а дл я инженеров- конструкторов н р асчетчи ­ ков а в и а ционной п р О ;\I ы шленност и . Ш ул ь ги н В . А. , Гайс и н е ки й С . Я . Двухконтур н ы е тур б о р е а ктив ­ н ы е двигател•и :-.1 алошу м н ы х с а м олетов. 1 2 л . В книге р а сс м отрены х а р а ктеристики двухконту р н ы х турборе­ активных дв и г а тел ей ( Т Р ДД ) с бол ьшой ( 1 0 и более ) степенью двухконтурнести и вентил ятором с поворотн ы м и лопатка м и . П р и ­ веден ы спосо б ы р асчет а х а р а ктеристик ТР Д Д и вентил ятор а . Д а н в ы б о р п а р а м етров т а к и х дв и гател е й . К н и г а п р едн а з н а чен а дл я инж енеров-р асчетчи ков а в и ационной п р о :-.1 ы ш л ен н ости. Х ар азо в К. И . Электр о м а гнитные устро йст в а а в и а ционной элек­ троавто м а т и к и . 1 4 л. В к н иге р а ссмотрены устройство, особенности, п р и н ц и п дейст­ вия, п р и м енение, м етоды р а счета и п р оектиров а н и я р аз л и ч н ы х э.11ектром агнитных устройств : с и л о в ы х эл ектром агн итов, упр авляю­ щих устройств, н ейтральных и п ол я р изов а н н ы х p e Ji e , конт а кторов и д р . Пр иведены статические и дин а м и ческие х а р а ктеристики уст­ ройств каждого т и п а . К н и г а п р едн а з н а ч е н а дл я инженеров-электр иков, з а н и м а ю щих­ ся р аз р а боткой электр оавтом атики в а в и ационной п р о м ы шленно­ сти. Б аш ки и В . А . Треугольные крылья в гиперзвуковом потоке. 1 1 л. В книге д а н анализ к а ртины течен и я и теплоо б м ен а н а поверх­ ности треугол ьных кр ыльев с элл и птическим поперечн ы м сечен и е м , обтека ем ы х ги п ерзвуков ы м потоком г а за п р и р азл и ч н ы х угл а х а т а ­ ки. Кр атко изложен ы м етоды ч исл енного решен и я уравнен и й Э й ­ л е р а н П р а ндтля . Книга п р едн а з н а ч е н а дл я инженеров Н И И и К Б , з а н и м ающих­ ся аэроди н а :-.ш кой летательн ы х а п п а р атов. П р еображенски й И . Н . , Ц урп ал И . А. В ы резы в несущих кон­ струкци я х . 8 л. В книге п р и ведены сведен и я об устойчивости, собственных ч ас­ тот а х кол еб а н и й и р а спредел ен и и н а п р яжений в ответствен н ы х де­ та.1 ях м а ш и н , элементах конструкций в б л и з и р азноо б р а з н ы х от­ верстий , пол остей и других :-.t ест а х р езкого И З :\Iенения попереч н ы х сечен и й . Д а н а оценк а степ е н и в.1 и я н и я р а з л и ч н ы х ф а кторов без 222

слож н ы х в ы ч ис.1ен и й . Р а ссм отр ены констру к ц и и с в ы р с з юr и р а з­ л и ч н ых фор�r и р аз :.r еров. К н и г а п р едназн ачен а д.1 я и н ж енеров , з а н и �r а ющ ихс я проскти­ р о в а н и е�r и р асчето:.r эл е:.r ентов л етател ь н ы х а п п а р атов. Мож ет быть п олезн а п р оектировщик а :.r и р а счетч и к юr дефор �r ируе�r ы х тон костен н ы х конструкций других типов. В ол один В . В . , Л исейцев Н . К ., М акси мов ич В . 3 . Особен ностrr п р оекти р ов а н и я р е а кт и в н ы х са молетов вертикал ьного вз<1ета и по­ садки. 1 5 .1 . В книге р а сс-"1 0трены п р облем ы п р оектиров а н и я р еактив н ы х с а :.ю л етов вертикального взлета и посадки ( С В В П ) . П р иведен ы м етодики р а счета весовых, аэроди н а м ических, эксплу а т а ционн ы х х а р а ктер исти к С В В П , и х силовы х установок и систем управ.1 ен и я н а околонул ев ы х скоростях. С и стеи атизиров а н ы сведен и я п о гео­ м етр ическим , весов ы :w и л етно-техн ическим х а р а ктер исти ка:>! р е а к ­ тивных сввп. Кни г а п р едн аз н ачен а дл я и нженеров, з а н и м а ющ ихся п р оекти­ р о в а н иеи и р а счетом р е а ктив н ы х самол етов . Гор бунов В . Н . , П ирумов У. Г. , Рыжов Ю. А . Н е р а в н овесн а н конденсация в в ы сокоскоростн ы х потоках газ а . 1 5 л . В моногр а ф и и д а но систем атизиров а н ное излож е н и е теоретиче­ ских, р а счетных и экспер и м ентальн ы х исследов а н и й нер авновесн ы х течений с фазов ы м и превр ащени я м и . Р а ссмотрены о р и г и н а л ь н ы е р а боты а второв по р а счетно-теоретическому исследов а н и ю гом оген­ н о й и гетерогенной конденсаци и (стацион а р н о й и н естацион ар ной ) дл я тече н и й в соп.1 а х и струях. П р едложена еди н а я систе:vr а опре­ дел я ю щ и х п а р а м етров, описывающих п р оцесс конден сации в р а з ­ лич н ы х тер м оди н а м ических систем а х . Детал ьн о изложены сов ре­ м ен н ы е ч исл енные м етоды р е ш е н и я у р а в н е н и й и обобщены резул ь­ таты п а р юr етр ических р а счетов. К н и г а п р едн а з н ачен а дл я н аучн ы х р а ботн и ков, з а н и м а ющихся п р а ктически м п р иложеннем тео р и и н е р а в новесной конденсации в р а з л и ч н ы х коошческих энер гоустановках. А ви ационн ые ГТД в н аз е м н ы х установка х/Изотав С . П., Ш а ш ­ к и н В . В . , К а п р алов В . М . и д р . 1 7 л . В книге р а ссм отр ены устройство, эксплу а т а ц и я и н адежность а в и а ционных га зотур б и н н ы х дв и гател ей (тур б о р е а кти в н ы х , тур бо­ в и нтовых, двухконтур н ы х ) , используе ы ы х в н а з ем н ы х технологи­ ческих и энер гетических установках. Н а основе опыта эксплуата­ ц и и в а в и ации р еко:н ендов а н ы п р и н ц и п и а л ь н ы е схе�r ы псп о<1 ьзова­ ния Г Т Д в электроген ер атор н ы х установках, н ефтеп е р а р а б а т ы в а ­ ю щ и х и газопере к а ч и в а ющ и х а г р егатов, дождев а л ь н ы х и р а сп ы.1 и ­ тел ь н ы х vста новках дл я сел ьского хоз я й ст в а и т. д. Д а н ы обосно­ . в а н и я в ы бор а осно в н ы х п а р а ы етров н а зе:'lш ы х установок. Из<1 оже­ н ы вопросы н адежности и технологи и упр авлен и я дв и гате.1 ю1 11 на р а з<1 и ч н ы х реж юr а х .

223

Кн и г а п р ед на з н а чена дл я инж енеров , р а з р а б а т ы в а ющих и экс­ П.'Iуатирующих н а з е м н ы е установки с и спользов а н и е :\! а в и а н ио н н ы х Г ТД .

С каф андр ы и систем ы дл я р а боты в открыто:\-! кос:\юсе/Аб р а­ :-.юв И . П . , С евер ин Г. И., Стокл ицки й А . Ю . и д р . 18 л . В книге из.1ожены теорети ческие основ ы , :\I етоды р а счета и про­ ектиров а н и я систем д.1 я обеспечен и я в ы хода в откр ыты й косыос и р а боты кос м о н автов вне кос м и ческого кор абл я . Основное в н юr а ­ н н е удел е н о проблеме созда н и я скаф а ндров и авто н о :-.ш ы х снсте:-.1 ж из н еобесп ечен и я . Р а сс:-.ю трен ы в о п р осы созда н и я с и сте:-.1 шл юзо­ в а н и я 1 1 другого оборудо в а н и я , обеспеч и в а ющего в ы ход че­ .rювека из кос?�I и ческого а п п а р ата. Указ а н ы особенности исп ы т а н и й скафа ндров и и х систем . Кн и г а п р едн а з н а чена дл я инженеров, р а ботающих в обл асти космон а в т и к и . П ан кр ато в Б . М . С пускаем ы е ап п а р а т ы . 16 л . В м оногр а ф и и изложены м етоды п р оект и р ов а н и я р азл и ч н ы х т и ­ пов спуск а е м ы х а п п а р атов дл я п о с а д к и н а п л а н еты С о л н е ч н о й с и ­ сте м ы и возв р а щен и я н а З е м л ю . П р о а н а л а з и р о в а н ы аэроди н юш­ ческие схем ы , п р иведсн ы м етоды о п р едел е н и я основ н ы х п а р а м ет­ ров а п п а р атов б алл истического, п л а н и рующего и скол ьзя щего спу­ сков. Р а ссм отрен а тепло в а я з а щита и дан р а счет н а п р оч ность то п ­ л и в ных , пр иборных , двигател ьных отсеков, конструкци й а п п а р а ­ тов и их nос адоч н ы х систем . Кн и г а п р едн азначена дл я н ау ч н ы х р а ботн и ков, п р оектирующих КОС:\-I и ческие а п п а р ат ы . Б ел я ев М . Ю. Н аучные экспер и м енты н а косм ических кор абл я х и о р б итальных ста н ц и я х . 1 7 л . В к н и г е изл ожен ы ф и з и ч еские основы проведен и я экспер и м ен­ тов в космосе. Дана м етодологи я упр авления полетом и сследов а­ тельских косм ических а п п а р атов ( КА ) . Показано, как в проце ссе у п р а в л е н и я пол етом реш аются задачи п л а н и р о в а н и я , контрол я со ­ сто я н и я и спользуемой а пп а р атур ы , у п р ав.т1ение движением КА , ин фор м а цион н ы м и потока м и и т . д. Кн и г а п р едн а з н а чен а дл я инженеров, р а ботающих в об.11 а сти кооюн а в т и ки . ·