расчет основных проектных параметров огневого стенда. 1.2 Проектный расчет конструкции стенда. 1. 2 Проектный расчет конструкции стенда
![]()
|
![]() 1.2 Проектный расчет конструкции стенда Целью задачи выбора основных проектных параметров является нахождение такого их сочетания, оснащенных специальным оборудованием, обеспечивающим проведение испытаний различных ракетных блоков, с целью определения их основных параметров и характеристик, называется испытательной станцией или испытательным комплексом. Под основными проектными параметрами проектируемой испытательной системы понимают группу независимых параметров (переменных), однозначно определяющих основные массовые, геометрические и энергетические характеристики данной системы. Целью задачи выбора основных проектных параметров является нахождение такого их сочетания, которое обеспечивает выполнение основной задачи испытания (определение количественных и качественных свойств объекта испытаний) при наличии конечного числа ограничений (например, габаритные и массовые характеристики объекта испытаний). Основные проектные параметры для разработки огневого стенда для испытания ракетного блока включают в себя: 1) Основные требования, предъявляемые к разрабатываемым стендам; 2) Основные данные об объекте испытания, для испытаний которого предназначен испытательный стенд; 3) Конструктивные и габаритные характеристики разрабатываемого стенда; 4) Назначение испытательного стенда, основные виды и категории проводимых на стенде испытаний; 5) Перечень измеряемых параметров и выбор типа измерительных преобразователей для их измерения; 6) Вспомогательное оборудование для транспортировки и установки объекта испытания на стенд. Исходные данные: Тяга двигательной установки: ![]() Компоненты топлива для ДУ: жидкий кислород + жидкий метан; Время испытаний двигателя: t = 240 [с]; Дополнительные исходные данные: Плотность компонентов топлива: Окислитель: - жидкий кислород: ![]() Горючее: - жидкий метан: ![]() Секундно-массовый расход топлива ![]() Соотношение компонентов топлива: K = 3,5. 1.2.1 Расчет системы топливоподачи стенда 1.2.2 Расчет топливоподающей системы 1.2.2.1 Объёмный расчёт Емкость, предназначенная для хранения, подготовки и подачи топлива с определенными параметрами в топливные магистрали, называется топливным баком. Конструкция топливных баков существенно зависит от рода применяемого топлива. Материал топливных баков должен быть коррозионностойким и не вступать в реакцию с применяемым топливом. Бак должен быть оборудован горловинами, штуцерами и фланцами для подстыковки заправочных и расходных магистралей, подсоединения трубопроводов перелива, наддува и дренажа. Должен быть предусмотрен люк для осмотра и ремонта, а также места для установки датчиков давления, температуры и уровня топлива в баке. Наиболее распространенной формой баков является цилиндрическая, так как она позволяет получить довольно большой объем при сравнительно небольшом поперечном сечении. Находят применение сферические баки, которые имеют наименьшее отношение поверхности к объему, что особенно важно для баков с криогенными компонентами топлива. Баки для криогенных компонентов изолируются стекловатой или их конструкция имеет двойные стенки с вакуумной изоляцией. Объём топливных баков рассчитывается из условий размещения в них заданного весового количества окислителя и горючего, называемого весовой заправкой топливных баков. Объём заправляемых компонентов рассчитывается из условий обеспечения заданного суммарного импульса тяги, компенсации непроизводительных потерь при хранении и работе двигательной установки, а также сохранения гарантийного остатка топлива после окончания работы двигателя. Расчетная схема бака представлена на рисунке 1.2 ![]() Рисунок 1.2 – Расчётная схема топливного бака Плотность топлива определяется по формуле: ![]() ![]() Определение массы топлива через секундно-массовый расход: ![]() ![]() Определение удельного импульса двигателя: ![]() ![]() ![]() ![]() Расход горючего двигателя определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Расход окислителя двигателя определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Масса горючего необходимого для испытания: ![]() ![]() Масса окислителя необходимого для испытания: ![]() ![]() Объём горючего необходимого для обеспечения заданного импульса двигателя: ![]() ![]() Объём окислителя необходимого для обеспечения заданного импульса двигателя: ![]() ![]() Величина объёма идущего на предпусковые потери для стабильных топлив принимается равной нулю. Для криогенных топлив данная величина определяется факторами, не поддающимися аналитическому или статическому учёту (условиями заправки и хранения в баке при испытание, объёмом и совершенством теплоизоляции бака и т. д.). Объём горючего, потери при запуске испытания определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Объём окислителя, потери при запуске испытания определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Потери топлива при запуске определяются программой запуска двигателя. Время запуска двигателя на режим выбирается из интервала ![]() Для данного типа двигателя: ![]() Объём потерь горючего при запуске: ![]() ![]() Объём потерь окислителя при запуске: ![]() ![]() Объём газовой подушки топливных баков, исходя из расчёта: для окислителя 5% от рабочего запаса топлива, для горючего - 3%. Объём газовой подушки бака горючего определяется по формуле: ![]() ![]() Объём газовой подушки бака окислителя определяется по формуле: ![]() ![]() Гарантийный остаток топлива обуславливается невозможностью строгого поддержания заданной величины весового соотношения компонентов топлива при испытании из-за изменения действующих перегрузок и ряда других факторов. Объём гарантийного остатка горючего определяется по следующей формуле: ![]() ![]() где 1,5 – коэффициент запаса компонентов топлива. Объём гарантийного остатка окислителя определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Объём, занимаемый арматурой топливных баков (трубопроводы, коллектор, арматура термостатирования, и т.д.) рассчитан на основе статистики и берётся 3% от запаса топлива. Объём, занимаемый арматурой бака горючего, определяется по формуле: ![]() ![]() Объём, занимаемый арматурой бака окислителя, определяется по формуле: ![]() ![]() Полный объём бака горючего определяется по формуле: ![]() ![]() Полный объём бака окислителя определяется по формуле: ![]() ![]() 1.2.4 Расчёт продольных размеров баков 1.2.4.1 Расчёт продольных размеров бака горючего Расчетная схема топливного бака приведена на рисунке 1.3 ![]() Рисунок 1.3 – Расчетная схема топливного бака Определяется радиус верхнего и нижнего днищ бака горючего: (примем диаметр бака равным ![]() ![]() ![]() Определяется высота верхнего и нижнего днища бака: ![]() ![]() Определяется объём днища бака: ![]() ![]() Определяется объём цилиндрической части бака горючего: ![]() ![]() Определяется длина цилиндрической части бака горючего: ![]() ![]() Определяется полная длина бака горючего: ![]() ![]() Определяется высота воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака: ![]() ![]() Определяется высота уровня жидкости от нижнего днища до зеркала жидкости: ![]() ![]() 1.2.4.3 Расчёт продольных размеров бака окислителя Определяется радиус верхнего и нижнего днищ бака окислителя: (примем диаметр бака равным ![]() ![]() ![]() Определяется высота верхнего и нижнего днища бака: ![]() ![]() Определяется объём днища бака: ![]() ![]() Определяется объём цилиндрической части бака окислителя: ![]() ![]() Определяется длина цилиндрической части бака окислителя: ![]() ![]() Определяется полная длина бака окислителя: ![]() ![]() Определяется высота воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака окислителя: ![]() ![]() Определяется высота уровня окислителя от нижнего днища до зеркала жидкости ![]() ![]() 1.2.5 Оценочный расчёт массы топливных баков Массу топливного бака определяют суммой масс топливных баков под основные компоненты топлива, массы устройств наддува и узлов крепления, а также массы вспомогательных баков при их наличии. Определяется масса топливного отсека в соответствии со следующей формулой. Относительная масса топливного отсека при использовании топлива: жидкий метан – жидкий кислород. Относительная масса топливного отсека в зависимости от материала нержавеющей стали 12Х18Н10Т. ![]() ![]() ![]() Определяется масса бака горючего (метан) в соответствии со следующей формулой ![]() ![]() Определяется масса бака окислителя в соответствии со следующей формулой ![]() ![]() 1.2.6 Расчет системы наддува топливных баков Совокупность стендового оборудования, предназначенного для создания и поддержания в процессе испытания необходимого избыточного давления в топливных баках, называется системой наддува. Она состоит из газовых баллонов высокого давления, запорных и регулирующих пневмоагрегатов и трубопроводов. Основные требования к системе наддува баков насосной топливоподачи состоят в следующем: - Обеспечить пусковые давления и заданный расход топлива при запуске двигателя; - создать необходимое давление на входе в насос и поддерживать его в течение всего времени испытания; - обеспечить возможность регулирования давления по заданной программе; - обеспечить возможность быстрого автоматического сброса давления из баков в случае аварийного выключения двигателя. Системы наддува служат для обеспечения и поддержания требуемого давления в топливных баках. На рисунке 1.5 представлена общая классификация систем наддува топливных баков. ![]() Рисунок 1.5 - Классификация систем наддува топливных баков Рабочее тело системы наддува выбирается исходя из применяемых компонентов топлива. При этом надо учитывать совместимость газа наддува и топлива. Криогенные топлива, такие как жидкие метан, кислород, фтор имеют настолько низкие температуры, что лишь немногие газы не конденсируются при контакте с ними. При наддуве бака с жидким метаном лишь гелий и метан остаются в газообразной фазе при температуре 20 [К]. Азот может конденсироваться в жидком кислороде. Конденсация и растворение газа в топливе создают ряд дополнительных трудностей. Так, при растворении в кислороде 10% азота тяга двигателя может уменьшиться на 2,5%. На рисунке 1.6 приведена пневмосхема системы пульсирующего наддува. Эта схема более надежна в работе и применяется в стендовых системах чаще. ![]() Рисунок 1.6 - Схема системы пульсирующего наддува От описанной выше она отличается тем, что редукторы и настраивают на давление, значительно превосходящее заданное давление в газовой подушке топливного бака, а ЭПК на основной магистрали и ЭПК на обводной магистрали открываются периодически при срабатывании реле ПР-1 и ПР-2. В случае превышения давления наддува над заданным уровнем срабатывает пневмореле ПР-3 и кратковременным открытием ЭПК 2 стравливается избыточное давление. По давлению используемого газа продувки делятся на интенсивную и вялую. Принципиальная схема системы продувки включает в себя источник питания, редуктор, запорный и обратный клапаны, фильтр и участок контроля параметров перед местом подстыковки к продуваемой магистрали. Положение фильтра последним в этой схеме обусловливается необходимостью защитить продуваемую полость от попадания в нее различных элементов арматуры в случае ее разрушения. 1.2.6.1 Расчёт массы и габаритов "холодной" системы наддува Давление насыщенных паров ![]() Объём заправляемого горючего определяется по формуле: ![]() ![]() Объём заправляемого окислителя определяется по формуле: ![]() ![]() Давления в газовой подушке определяется по трём условиям. 1) Условия бескавитационной работы насоса горючего в момент запуска. Кавитационный запас прочности выбирается из диапазона ![]() ![]() ![]() Рисунок 1.7 – Пневмогидравлическая схема системы подачи горючего Для жидкостей типа кислород скорость течения компонента в магистрали выбираем из диапазона (5-10 м⁄с). [16.стр.192]; ![]() Коэффициент местного сопротивления: Потери давления на местных сопротивлениях: ![]() Суммарные потери на местных сопротивлениях: ![]() Для кольцевого заборного устройства ![]() Коэффициенты местных потерь на сильфонах с винтовой навивкой гофра ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент сопротивления сильфона с кольцевыми гофрами на 20...25% больше, чем у сильфона с винтовой навивкой гофра. ![]() Коэффициент потерь давления объемных датчиков ![]() Коэффициент потерь давления на повороте потока: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент потерь давления на разветвлении потока ![]() ![]() 1.2.6.2 Определение гидростатического давления столба жидкости в баках горючего Высота столба жидкости: ![]() Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле: ![]() ![]() Расчёт минимального давления в баке «Г»: ![]() ![]() Определение гидростатического давления столба жидкости в конце работы ДУ: Высота остатка незабора жидкости: ![]() Высота столба жидкости: ![]() ![]() Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле ![]() ![]() Расчёт минимального давления в конец работы ДУ: ![]() ![]() Условия отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы двигательной установки Кавитационный запас прочности выбирается из диапазона ![]() ![]() 1.2.6.3 Определение потери давления на сифонном заборном устройстве Скорость течения компонента в магистрали: ![]() Коэффициент местного сопротивления для сифона: [16, стр.194]; ![]() Суммарные потери давления на сифонном заборном устройстве, определяются по формуле: ![]() ![]() 1.2.6.4 Определение гидростатического давления столба жидкости Высота остатка незабора жидкости: ![]() Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле: ![]() ![]() Расчёт минимального давления ![]() ![]() Из трех найденных минимальных давлений наддува в газовой подушке бака горючего выбираем максимальное найденное значение давления ![]() 1.2.6.5 Расчёт максимального давления в подушке бака горючего Разница между максимальным и минимальным давлениями выбирается из диапазона ![]() ![]() Максимальное давление в подушке бака горючего определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Расчёт номинального давления в подушке бака горючего Номинального давления в подушке бака горючего определяется по следующей формуле: ![]() ![]() 1.2.7 Расчёт "холодной" системы наддува бака горючего В качестве рабочего тела системы наддува используется газообразный метан. Определяется потребный объём аккумулятора давления Коэффициенты запаса по нормам расчета на прочность сосудов и аппаратов (ГОСТ Р 52857.1-2007): Коэффициент запаса: ![]() Коэффициент адиабаты для метана: ![]() Начальное давление в аккумуляторе давления выбирается из диапазона ![]() ![]() Конечное давление в аккумуляторе давления: ![]() Потребный объём аккумулятора давления определяется по следующей формуле: ![]() ![]() В качестве аккумуляторов давления используются сосуды (баллоны) высокого давления производителя "Криогенные технические газы". Технические характеристики баллонов: Материал........................................................сталь 40х Рабочее давление, МПа…………………....26,6; Объем, л.........................................................400; Толщина стенки, мм.....................................13,0; Диаметр цилиндрической части, мм……....465; Длина, мм.......................................................3040; Масса сосуда, кг............................................530; Количество баллонов n рассчитывается из следующего соотношения: ![]() ![]() Определение давления в газовой подушке бака окислителя Условия бескавитационной работы насоса окислителя в момент старта Кавитационный запас прочности выбирается из диапазона ![]() ![]() Определение суммарного потери давления Скорость течения компонента в магистрали: ![]() Коэффициент местного сопротивления: ![]() Суммарные потери давления, определяются по формуле: ![]() ![]() Определение гидростатического давления столба жидкости Высота столба жидкости: ![]() Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле: ![]() ![]() Расчёт минимального давления Давление насыщенных паров кислорода: ![]() Минимальное давление определяется по формуле: ![]() ![]() Условия бескавитационной работы насоса горючего в конце работы двигателя Кавитационный запас прочности выбирается из диапазона ![]() ![]() Определение суммарного потери давления Скорость течения компонента в магистрали: ![]() Коэффициент местного сопротивления: ![]() Суммарные потери давления, определяются по формуле ![]() ![]() Определение гидростатического давления столба жидкости Высота остатка незабора жидкости: ![]() Высота столба жидкости: ![]() ![]() Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле: ![]() ![]() Расчёт минимального давления: ![]() ![]() Условия отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы двигательной установки Кавитационный запас прочности выбирается из диапазона ![]() ![]() Определение потери давления на тарельчатом заборном устройстве Скорость течения компонента в магистрали: ![]() Коэффициент местного сопротивления для тарели: ![]() Суммарные потери давления, определяются по формуле: ![]() ![]() Определение гидростатического давления столба жидкости Высота остатка незабора жидкости: ![]() Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле: ![]() ![]() Расчёт минимального давления: ![]() ![]() Из трех найденных минимальных давлений наддува в газовой подушке бака окислителя выбираем максимальное: ![]() Расчёт максимального давления в подушке бака окислителя Разница между максимальным и минимальным давлениями выбирается из диапазона ![]() ![]() Максимальное давление в подушке бака окислителя определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Расчёт номинального давления в подушке бака окислителя Номинального давления в подушке бака окислителя определяется по следующей формуле: ![]() ![]() 1.2.7.1 Расчёт "холодной" системы наддува бака окислителя В качестве рабочего тела системы наддува используется газообразный кислород. Коэффициент запаса: ![]() Коэффициент адиабаты для газообразного кислорода: ![]() Начальное давление в аккумуляторе давления выбирается из диапазона ![]() ![]() Конечное давление в аккумуляторе давления: ![]() Потребный объём аккумулятора давления определяется по следующей формуле: ![]() ![]() В качестве аккумуляторов давления используются сосуды (баллоны) высокого давления производителя "Криогенные технические газы" (Самара). Технические характеристики баллонов: Материал........................................................сталь 40х Рабочее давление, МПа………………...........26,6 Объем, л..........................................................400 Толщина стенки, мм........................................13,0 Диаметр цилиндрической части, мм…...........465 Длина, мм........................................................ 3040 Масса, кг……………………………………......530 Количество баллонов n рассчитывается из следующего соотношения: ![]() ![]() Определение массы рабочего тела аккумулятора давления Температура газа наддува: ![]() Газовая постоянная для газообразного кислорода: ![]() Масса рабочего тела аккумулятора давления определяется по следующей формуле: ![]() ![]() Масса конструкции баллона определяется по формуле: Где mсос-масса единичного сосуда ![]() ![]() Определяется масса "холодной" системы наддува бака окислителя ![]() ![]() Расчёт гидравлических потерь в магистралях окислителя ![]() Рисунок 1.8 –Пневмогидравлическая схема системы подачи окислителя Диаметр d трубопровода определяется по формуле: ![]() ![]() Расчет скорости звука в трубопроводе с жидкостью Толщина δ стенки бесшовного трубопровода определяется соотношением: ![]() Для конструкционного материала ХН65МВУ: σд=830 [МПа]; ![]() Скорость звука в трубопроводе с жидкостью рассчитывается по формуле: ![]() R0=d/2, R0=0,12/2=0,06 [м]; Е=63·109 [Па]; ЕТ=0,9·109 [Па]; ![]() Расчет потерь давления жидкости в топливных магистралях Потери давления в топливных магистралях: ![]() Потери давления на создание скорости ![]() ![]() ![]() Потери давления на местных сопротивлениях: ![]() Суммарные потери на местных сопротивлениях: ![]() Для кольцевого заборного устройства ![]() Коэффициенты местных потерь на сильфонах с винтовой навивкой гофра ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент сопротивления сильфона с кольцевыми гофрами на 20...25% больше, чем у сильфона с винтовой навивкой гофра. ![]() Коэффициент потерь давления объемных датчиков ![]() Коэффициент потерь давления на повороте потока ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Коэффициент потерь давления на разветвлении потока ![]() ![]() Потери давления на трение в трубопроводах ![]() Коэффициент сопротивления трения λ : ![]() ν = 1,4 ![]() ![]() Δ = 10-5[м]; ![]() ![]() Потери давления в топливных магистралях: ![]() |