Исходные данные Компоненты топлива
 Скачать 0.93 Mb.
|
|
Jу.к=Jуп при высоких давлениях в камере сгорания увеличение удельного импульса с ростом давления не велико. В тоже время расход рабочего тела на привод турбины ТНА будет расти пропорционально давлению в камере. Так как рост удельного импульса не велик, начиная с какого-то давления рк.опт потери удельного импульса двигательной установки за счет расхода компонента на привод ТНА будут выше, чем прирост ее за счет увеличения тяги двигателя. В рамках предварительной проработки значение давления рк.опт лежит в пределах 6-8 МПа. Очевидно, что дальнейшее увеличение давления в камере не имеет смысла. По мере улучшения КПД насосов и турбины увеличивается и рк.опт, однако уже при давлениях, меньших, чем рк.опт сильно возрастают преимущества установок, работающих по замкнутой схеме. На основе всего выше изложенного принимаем замкнутую схему в которой отработавшее в турбине рабочее тело поступает в камеру сгорания, где дожигается и используется для создания тяги, при этом следует отметить основные преимущества и недостатки. Главное преимущество заключается в более полном использовании энергии топлива, имеющегося на борту ракеты, так как при замкнутой схеме потери удельного импульса за счет расхода компонентов на привод ТНА отсутствуют. Удельный импульс установок с замкнутой схемой больше, чем у установок с открытой схемой, и равна удельному импульсу камеры двигателя, что не мало важно в космических аппаратах. Недостатком установок с замкнутой схемой является их большая сложность по сравнению с установками открытой схемы. Эта сложность обусловлена необходимостью подачи из ТНА в камеру сгорания продуктов сгорания высокой температуры и высокими давлениями подачи, которые при замкнутой схеме значительно выше чем при открытой. Все это затрудняет обеспечение высокой надежности работы установки. 1.2. Описание состава и схемы регулирования двигателя Двигательная установка состоит из однокамерного ракетного двигателя, установленного в карданном подвесе, который обеспечивает качание на угол для управления по тангажу и на угол для управления по курсу. Главная особенность данного двигателя - многоразовое использование в условиях вакуума и малых перегрузок после длительного пребывания в условиях космоса. Запуск двигателя производиться в две ступени - запуск системы подачи и запуск камеры сгорания. Система подачи включает в себя : БТН окислителя, БТН горючего, основной ТНА, подогреватель и арматуру. Раскрутка ТНА осуществляется подогревателем. Первоначальное давление подачи компонента для запуска подогревателя создается : по линии окислителя бустерным ТНА, раскрутка которого производиться от специальной системы газообразным гелием; по линии горючего - специальным пусковым компонентом - пусковым горючим триэтилаллюминием, вытесняемым гелием из дублированных пусковых емкостей блока многоразового запуска. Зажигание компонентов в подогревателе происходит путем самовоспламенения триэтилаллюминия с кислородом. Зажигание компонентов в камере сгорания осуществляется путем теплового самовоспламенения смеси кислого газа из подогревателя с керосином. Для увеличения надежности зажигания производиться дублирование путем подачи триэтилаллюминия в камеру сгорания. Для обеспечения плавного воспламенения полного расхода горючего, к моменту его прихода в камеру сгорания создается пусковой факел с помощью пусковой форсунки горючего. Для обеспечения исключения влияния запуска камеры сгорания на работу системы подачи, в газовом тракте между турбиной и головкой камеры сгорания установлено газодинамическое сопло, обеспечивающее критическое течение газа при работающей и неработающей камеры сгорания. С целью исключения значительного увеличения расхода горючего при работе двигателя до запуска камеры сгорания, в магистрали перед клапаном горючего установлен стабилизатор расхода 48, работающий при запуске в режиме кавитации. Для обеспечения многократного запуска и выключения двигателя применяются пневмоклапаны, управляемые с помощью электропневмо клапана, а многократная раскрутка БТН окислителя для подачи окислителя в подогреватель и вытеснения триэтилаллюминия из пусковой емкости блока многоразового запуска обеспечиваются запасом сжатого газа. Сигнализаторы давления (СД), установленные за БТН окислителя, в магистрали подачи триэтилаллюминия, за турбиной и в магистрали горючего камеры сгорания являются элементами, контролирующие правильность срабатывания агрегатов и нормальность процессов при запуске и во время работы двигателя. В случаях несрабатывания любого СД к заданному моменту времени или замыкании любого СД в процессе работы двигателя автоматически выдается команда «Аварийное выключение двигателя». В процессе работы двигателя обеспечивается постоянство заданного соотношения расходов компонентов, поступающих в двигатель, путем изменения гидравлического сопротивления тракта «Г». Изменение гидравлического сопротивления тракта «Г» производиться регулятором 68 системы регулирования соотношения компонентов (РСК) по сигналам, поступающим от датчиков расхода 18 и 63 на привод 69 регулятора соотношения компонентов. В процессе работы двигателя системой регулятора кажущейся скорости осуществляется регулирование режима работы двигателя в заданных пределах путем изменения настройки регулятора 78, установленного в магистрали горючего подогревателя. Изменение настройки регулятора осуществляется электроприводом 77 по сигналам управления изделием. Система регулирования кажущейся скорости включает в себя специальный датчик 46 ограничения режима двигателя по давлению в камере сгорания. Управление изделием по каналам «Тангаж» и «Рысканье» обеспечивается путем качания двигателя в карданном подвесе. Управление по каналу «Крен» обеспечивается поворотным соплом, установленным на изделии. В качестве рабочего тела для этого сопла используется отработанный газ из турбин бустерных турбонасосных агрегатов. В состав средств обеспечения работы двигателя входит гелиевый редуктор 14, обеспечивающий питание линий управляющего давление, раскрутки БТНА и продувок. Сигнализатор давления за редуктором препятствует повышению давления в линиях (по достижении предельного давления прекращается доступ Не в редуктор). Для обеспечения наддува баков на двигателе имеются теплообменники, расположенные на магистрали «О» за турбиной и на магистрали «Г» за насосом. С помощью специальных продувок обеспечивается возврат компонентов топлива в бак из расходных магистралей и агрегатов после выключения двигателя. 1.3. Описание работы пневмогидравлической схемы двигателя. Пневмогидравлическая схема двигателя включает в себя камеру, агрегаты системы подачи топлива, элементы автоматики, устройства для обеспечения его нормальной эксплуатации и предназначена для подачи требуемого количества компонентов топлива в камеру двигателя под необходимым давлением и в заданном их соотношении, а также для выполнения продувок и ряда других операций. В процессе полета при работе предыдущих ступеней и на участках пассивного полета все внутренние полости двигателя через дренажи в клапанах 10 и 12, сопло камеры сгорания и сопло крена сообщаются с окружающей средой. Давление в контейнере блока многоразового запуска определяется настройкой предохранительного клапана 84. В заданное время производиться запуск двигателя, при этом для обеспечения надежного забора компонентов из баков средствами изделия создается необходимая осевая перегрузка. Весь процесс работы пневмогидравлической схемы можно разбить на ряд этапов: --- включение (запуск) двигателя --- выключение (останов) двигателя --- аварийное выключение двигателя. Включение (запуск) двигателя Включение редуктора. Для обеспечения необходимого давления в линиях управления арматурой, раскрутки БТНА и продувок подается напряжение на ЭПК 13 и после его срабатывания гелий из баллонов высокого давления поступает в редуктор 14, который обеспечивает требуемое давление за собой. Одновременно задействуется контроль СД 49. Контакты СД должны разомкнуться, если давление за редуктором повышается до предельно допустимого значения. При этом автоматически снимается напряжение с ЭПК 13. ЭПК 13 закрывается и прекращает подачу гелия на вход в редуктор. При снижении давления контакты СД 49 замыкаются и ЭПК 13 снова открывается. Контроль СД 49 производиться до команды «Включение продувок». Открытие разделительного клапана блока горючего. По этой команде подается напряжение на ЭПК 27, в результате чего открывается разделительный клапан 11 на баке «Г» и горючее из бака под давлением наддува начинает заполнять магистрали двигателя. Заливка пусковым горючим. Для заливки пусковым горючим в систему двигателя подается напряжение на ЭПК 26 и после его срабатывания гелий поступает в управляющие полости клапанов 81,82, а также в полости наддува емкостей пускового горючего, смесь триэтилаллюминия с триметилаллюминием заполняет подводящие трубопроводы к клапану горючего газогенератора и пусковой форсунки камеры сгорания. При первом запуске одновременно с подачей напряжения на пиропатроны пироклапанов 87,88 подается напряжение на ЭПК 26 и только после срабатывания пироклапанов осуществляется доступ для наддува емкостей пускового горючего; при первом же срабатывании давлением пускового горючего прорывается мембрана выхода из емкостей. Установка пироклапанов и прорывных мембран на емкостях пускового горючего вызвана необходимостью обеспечения в наземных условиях электропневматических испытаний заправленного блока многоразового запуска. Включение продувок. Производиться заполнение магистрали «О» и раскрутка бустерных агрегатов, для чего подается напряжение на ЭПК 15 и после его срабатывания гелий поступает в управляющую полость разделительного клапана «О» 9, клапан открывается и кислород начинает поступать в БТН окислителя и расходную магистраль. Одновременно подается напряжение на ЭПК 25 и после его срабатывания газообразный гелий поступает на турбины БТН окислителя, БТН горючего, на продувку камеры сгорания и в управляющие полости клапанов 23 и 24. Бустерные ТНА начинают раскручиваться и компоненты под их напором поступают в расходные магистрали. После открытия клапанов 23 и 24 избыточный для раскрутки бустерных ТНА гелий сбрасывается в окружающую среду. После открытия клапана 10 открывается доступ «О» в газогенератор. После открытия клапана 24 в окружающую среду сбрасывается испарившийся «О» из редуктора БТН окислителя. Запуск двигателя. По этой команде подается напряжение на электромагнит электрогидравлического клапана газогенератора 71. После срабатывания электромагнита под действием давления пускового горючего происходит открытие клапана 92, при этом пусковое горючее поступает в газогенератор. В газогенераторе компоненты топлива воспламеняются, в результате чего в газогенераторе возрастает давление. Горячий окислительный газ, проходя через турбину 72, начинает раскручивать ТНА, и поступая в камеру сгорания 6, поднимает давление в камере сгорания и истекает через сопло. С увеличением числа оборотов ТНА давление за насосами «Г» растет и газогенератор плавно переходит на питание основным горючим вместо пускового горючего. С возрастанием давления за насосам «Г» открывается обратный клапан 35 и смесь пускового горючего через пусковую форсунку небольшим расходом поступает в камеру сгорания, где воспламеняется с кислым газом - в камере сгорания возникает факел от работы пусковой форсунки. Основной расход «Г» в это время прокачивается через охлаждающий тракт камеры сгорания и через клапан 12 дренируется в окружающую среду и заполняет управляющую полость клапана. При достижении необходимого давления «Г» в управляющей полости клапана 12 происходит его открытие, после открытия клапана дренаж горючего прекращается и «Г» полным расходом поступает в камеру сгорания, где происходит воспламенение топлива от факела пусковой форсунки и двигатель выходит на номинальный режим тяги. Выключение раскрутки. Снимается напряжение с ЭПК 26 и после срабатывания ЭПК закрываются клапаны пускового горючего 81, 82 и стравливается в окружающую среду наддув емкостей пускового горючего, снимается напряжение с ЭПК 25 и после закрытия ЭПК прекращается подача гелия на привод турбин БТНА (привод турбины в дальнейшем производиться кислым газом, отбираемым за газогенератором), на продувку камеры сгорания; закрываются клапаны сброса газа перед турбиной БТН горючего; сбрасывается давление из управляющей полости клапана окислителя газогенератора 10, клапан удерживается в открытом положении давлением «О» в полости клапана; закрывается клапан сброса газа из редуктора БТН окислителя. Для обеспечения наддува бака «О» при работе двигателя, отобранный в необходимом количестве из коллектора смесителя газогенератора кислород подогревается в специальном теплообменнике 73 и через расходное сопло 20 подается в систему наддува. В заданный момент после запуска двигателя включается система регулирования кажущейся скорости и регулятор соотношения компонентов. При кратковременных пусках, предназначенных для коррекции траектории полета, системы РСК и РКС могут не включаться. При выработке двигателем заданного импульса тяги системой управления подается команда на выключение двигателя. Выключение (останов) двигателя Включение продувок. Снимается напряжение с электромагнита гидроклапана «Г» ГГ 77, подается напряжение на ЭПК 28 и 50, а также выключаются системы РСК и РКС, причем регулятор РКС 78 должен быть приведен в номинальное положение, а регулятор РСК 68 до следующего запуска остается в том положении, в котором он находился перед включением. При закрытии клапана 92 прекращается подача горючего в газогенератор, давление в ГГ падает, в результате снижаются обороты вала ТНА и давление за насосами. При достижении определенного давления за насосами происходит закрытие клапанов 10 и 12, прекращается подача окислителя в газогенератор и горючего в камеру сгорания и открывается дренаж «О» и «Г» в окружающую среду. При срабатывании ЭПК 28 включается продувка гелием для вытеснения топлива в бак «Г»; горючее, оставшееся за насосом «Г» и камере сгорания выдувается в окружающую среду, одновременно производиться продувка магистралей пускового горючего, при этом остатки ПГ вместе с горючим выбрасываются в окружающую среду через дренажный клапан. При срабатывании ЭПК 50 включается продувка магистрали «О» гелием через клапан сброса 53 с целью вытеснения окислителя из магистралей двигателя обратно в бак. Частичное возвращение залитых в двигатель компонентов топлива после выключения обратно в бак позволяет существенным образом сократить непроизвольное расходование топлива при многократных запусках. Закрытие разделительных клапанов. Снимается напряжение с ЭПК 15 и 27, в результате чего закрываются разделительный клапан 9 бака «О» и разделительный клапан 11 бака «Г». Выключение продувок. Снимается напряжение с ЭПК 50, 28 и 13, в результате чего : выключается продувки магистралей «О» и «Г» и ПГ; прекращается подача гелия на вход в редуктор 14 Остатки топлива из двигателя испаряются через дренаж в клапане «Г» 12 и в клапане сброса 53. После завершения всех указанных операций двигатель готов к повторному запуску. Аварийное выключение двигателя. Функционирование двигателя при запуске и на заданном режиме контролируется датчиками сигнализации давления. При не замыкании или не размыкании контактов сигнализации давления к заданному моменту времени вырабатывается команда «Аварийное выключение двигателя». Сигнализатор давления 37 контролирует момент вступления БНО«О» в работу. Срабатывание его контактов показывает, что развитый насосом напор окислителя достаточен для запуска газогенератора. Если к моменту подачи команды «Запуск двигателя» контакты сигнализатора давления 37 окажутся разомкнутыми, то проходит команда «Запуск двигателя», в противном случае «Аварийное выключение двигателя». Запуск газогенератора, системы подачи компонентов топлива, а также их работа на заданном режиме контролируется сигнализатором давления 43. При замыкании контактов СД 43 вырабатывается команда «Аварийное отключение двигателя». Работа БНО«О» на заданном режиме контролируется СД 17 контакты которого включаются в схему контроля после команды «Запуск двигателя». При замыкании контактов СД 17 также проходит команда «Аварийное отключение двигателя». По команде «Аварийное выключение двигателя» снимается напряжение со всех электроклапанов, которые к моменту прохождения команды находятся под током. 2. Газодинамический расчет 2.1. Термодинамический расчет. 2.1.1. Расчет коэффициента стехиометрического соотношения компонентов Kmo. Окислитель и горючее двухкомпонентного жидкого топлива применяют в двигателе при определенном соотношении. Чтобы обеспечить полное сгорание одного моля горючего требуется Kmo молей окислителя. Величину Kmo называют массовым стехиометрическим соотношением компонентов топлива, который рассчитывается по формуле :   |