Главная страница

Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные


Скачать 4.57 Mb.
НазваниеВ. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
АнкорЖидкостные ракетные двигатели.doc
Дата19.05.2017
Размер4.57 Mb.
Формат файлаdoc
Имя файлаЖидкостные ракетные двигатели.doc
ТипДокументы
#7951
КатегорияПромышленность. Энергетика
страница15 из 16
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

Рис.91

Принципиальная схема термоакустического устройства

для воспламенения горючих смесей:

1 - сверхзвуковое сопло; 2 - корпус; 3 - дренажная полость; 4 - цилиндрическая

тупиковая полость; 5 - реакционная полость; 6 - фланец крепления

Если подавать холодный газ через сопло 1 в открытый торец цилинд­рической тупиковой полости 4, который затем дренируется через полость 3, то во внутренней полости цилиндра образуются колебания газа с частотой, соот­ветствующей собственной акустической частоте цилиндрической тупиковой полости. Усиление амплитуд колебаний давления газа в цилиндре вызывается резонансом вынужденных и собственных колебаний в динамической системе «сопло — полость».

Турбулентное течение газов из сопла 1 со сверхзвуковой скоростью при встрече с неподвижной средой сопровождается широким спектром колеба­ний давления газа в струе. В этом спектре также содержатся колебания с часто­той, равной (или близкой) частоте собственных акустических колебаний ци­линдрической тупиковой полости. Колебания давления газа в набегающей струе являются вынужденными по отношению к собственным колебаниям ци­линдрической тупиковой полости. Настройка динамической системы «сопло -полость», вызывающая резонанс этих колебаний, производится изменением расстояния «х» от сопла до открытого торца тупиковой полости. Таким обра­зом определяется взаимное положение сопла и цилиндра, обеспечивающее сдвиг фаз между вынужденными и собственными колебаниями, равными (или близкими) 180°. При этом в цилиндре тупиковой полости устанавливается мак­симальная амплитуда колебаний давления колебаний газа. В результате усиле­ния амплитуды колебаний газа в тупиковой полости цилиндра в каждой волне сжатия повышается температура газа и с течением времени за счет большой (собственной) частоты циклов колебаний в цилиндрической тупиковой полости температура одной и той же порции газа намного превышает температуру тор­можения газовой струи. В результате происходит разогрев стенок цилиндра и особенно закрытого торца тупиковой полости до температур, которые соответ­ствуют установившемуся тепловому балансу цилиндра. Из опытов получено, что за время, приблизительно равное 50 с, торец тупиковой полости нагревает-

ся до 1ООО К; за время 100 с - до 1500 К и более, вплоть до расплавления мате­риала тупиковой полости (если не будет организован теплоотвод). Использова­ние термоакустического эффекта разогрева тупиковой полости от холодной струи газа состоит в том, что по достижении необходимой температуры нагре­ваемого цилиндра на его поверхность направляются пусковые порции несамо­воспламеняющихся окислителя и горючего, которые воспламеняются на ней, а затем из реакционной полости 5 подаются в виде нагретых продуктов сгорания в основную камеру двигателя. В результате реализуется форкамерное устрой­ство, которое крепится к форсуночной головке двигателя фланцем 6, представ­ляющее собой автономный агрегат системы воспламенения топлив в камерах двигателя и газогенератора ЖРДУ. Работоспособность такого устройства обес­печивается при давлении подачи холодного газа в сверхкритическое сопло 1 в диапазоне (4 — 15) 105 Па при атмосферном противодавлении в дренажной полости 3.

Принципиально цилиндрическая тупиковая полость 4 может быть по­мещена в полость газогенератора или камеры двигателя без реакционной по­лости 5 и может служить нагревным источником воспламенения основного топлива.

Недостатком термоакустического способа воспламенения горючих смесей является низкая мгновенная мощность тепловыделения и низкий терми­ческий коэффициент полезного действия. Усиление мощности тепловыделения возможно путем многокаскадной подачи пускового топлива в реакционной камере форкамерного устройства, или за счет увеличения числа нагреватель­ных цилиндров, помещенных в газогенераторы или камеры двигателя. Низкий термический КПД приводит к значительному расходу холодного газа.

Положительным свойством термоакустического устройства следует считать его полную независимость от характера протекания рабочих процессов в камере двигателя или газогенераторах. Нагревный цилиндр полностью изо­лирован от воздействия на него окружающей среды. Выполненный из жаро­прочных и антикоррозионных материалов, он оказывается защищенным от аг­рессивной среды, нагарообразования, воздействия высоких и низких темпера­тур, давления и влажности окружающей среды и других внешних факторов.

Свойства автономности термоакустического устройства позволяют предполагать его преимущественное применение при низких начальных темпе­ратурах окружающей среды (например в космических условиях) для надежного воспламенения несамовоспламеняющихся топлив и в низкотемпературных га­зогенераторах, использующих жидкий кислород и жидкий водород.

Электрические способывоспламенения горючих смесей предполагают применение высоковольтных искровых свечей и низковольтных свечей по­верхностного нагрева.

Высоковольтная свеча искрового разряда получила широкое распро­странение в двигателях внутреннего сгорания и других атмосферных двига­телях, и ее применение в ЖРД обусловлено естественной исторической преем­ственностью.


Поскольку бортовая система питания электроэнергией располагает низковольтным источником постоянного тока, то для его преобразования в ток высокого напряжения необходимо применение специальных устройств.



Рис.92

Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей

с помощью высоковольтной искровой свечи: 1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания, 4 - низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт,6 - неподвижный контакт; 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразовате­ля напряжения; 11 - резистор; 12 - контакт центрального электрода; 13 - корпус свечи; 14 - кера­мический вкладыш; 15 - керамический изолятор; 16 - центральный электрод свечи; 17 - боковой электрод свечи

На рис.92 показана принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью высоковольтной искровой свечи. В со­став этой системы входят источник питания, преобразователь напряжения и собственно свеча. При включении ключа зажигания 3 источник питания посто­янного тока 2 через замкнутые с помощью пружины 7 подвижный 5 и непод­вижный контакты 6 питает низковольтную обмотку преобразователя напряже­ния 4. Образовавшийся при этом магнитный поток замыкается через высоко­вольтную обмотку 10, которая по сравнению с обмоткой 4 имеет на три поряд­ка больше витков. Образовавшийся от первичной обмотки магнитный поток проходит через якорь 8, как через магнитопровод. В результате якорь притяги­вается к сердечнику 9, расположенному между обмотками, и разрывает контак­ты 5 и 6 питания первичной обмотки. При этом магнитный поток резко падает, а вторичная обмотка 10, испытывая это изменение, генерирует импульс элек­трического тока с напряжением, пропорциональным соотношению обмоточных характеристик катушек 4 и 10. Этот импульс электрического тока с высоковольтной обмотки 10 подается на контакт центрального электрода 12 электрической свечи. Второй полюс обмотки соединен с корпусом свечи 13 (обычно через массу двигателя). Зазор между центральным электродом 16 и боковыми электродами 17 выбирается таким, чтобы был гарантирован искровой разряд (=1-2 мм). Для избежания пробоя между центральным электродом и корпусом свечи вне искрового промежутка центральный электрод защищен керамическим изолятором 15, а корпус — керамическим вкладышем 14.

При исчезновении магнитного потока пружина 7 замыкает контакты 5 я 6, с помощью которых включается питание обмотки 4, и все начинается сна­чала. Для гашения новообразования при срабатывании контактов 5 и 6 уста­новлен конденсатор 1.

Для увеличения частоты автоколебаний сердечник 9, размещенный между обмотками 4 и 10, выполнен из трансформаторных пластин, что спо­собствует в элементах системы преобразователя напряжений существенному снижению остаточного магнетизма. Параметры обмоточных характеристик катушек 4 и 10 подбираются так, что во вторичном контуре питания свечи реа­лизуется напряжение, приблизительно равное 16000 — 20000 В. В каждом цик­ле автоколебаний в искровом промежутке свечи происходит электрический разряд, а за время включения контакта 3 реализуется серия электрических раз­рядов, мгновенная мощность которых способна воспламенить находящиеся в окрестностях электродов свечи компоненты топлива.

Рассмотренная электрическая система высоковольтной свечи имеет два существенных недостатка. Один из них связан с чрезмерно высоким напряже­нием, которое способствует самопроизвольному отеканию заряда в местах кон­такта проводника (на катушке 10 и центрального электрода 12 свечи). Особен­но заметно самопроизвольное отекание электрического заряда в ионизирован­ной и влажной атмосфере, при которой каждый импульс сопровождается ко­ронным разрядом в контактных соединениях, а между электродами свечи мощ­ность разряда настолько падает, что это может приводить к отказу зажигания топливной смеси. В местах касания проводника высокого напряжения массы двигателя возможен пробой его изоляции.

Второй существенный недостаток заключен в самой свече. При влаж­ной атмосфере окружающей среды центральный и боковые электроды оказы­ваются замкнутыми этой средой и искрообразование становится невозможным. При повторном запуске двигателя, использующего углеводородное горючее, в результате нагарообразования на части корпуса и керамическом изоляторе све­чи (обращенных внутрь камеры двигателя или газогенератора) происходит час­тичное или полное шунтирование центрального и бокового электродов свечи по образовавшемуся нагару, которое вызывает ослабление мощности искрового разряда или полный отказ искрообразования. Несмотря на то, что в системе зажигания для частичной компенсации шунтирования нагаром электродов све­чи предусмотрен резистор 11, повторные запуски двигателя, работающего на углеводородных горючих, затруднены (особенно в газогенераторах). Свеча вы­сокого напряжения практически не пригодна для воспламенения топлив с окислителями на основе азотной кислоты, так как попадание окислителя на электроды свечи и особенно на керамический изолятор разрушают последние. Область целесообразного применения высоковольтных свечей вследствие не­достатков, собственно касающихся свечей, определяется их применением лишь для воспламенения кислородно-водородных топлив.

Для устранения недостатков высоковольтной системы зажигания раз­работана и применяется в практике низковольтная свеча поверхностного нагре­ва.



Рис.93

Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью низковольтной свечи поверхностного нагрева:

1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания; 4 -низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт, 6 - неподвижный контакт, 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразовате­ля напряжения; 11 - полупроводник; 12 - конденсатор-накопитель заряда; 13 - газоразрядное уст-ройство; 14 - контакт центрального электрода; 15 - центральный электрод; 16 - керамический изолятор; 17 - корпус свечи; 18 - пластинка двуокиси титана

На рис.93 приведена принципиальная схема системы зажигания го­рючих смесей с помощью свечи поверхностного нагрева. Принцип действия преобразователя напряжения в этой системе остался тем же, что и в рас­смотренной выше. Для этой части системы на рис.93 сохранена та же нумера­ция составляющих эту часть элементов, что и на рис.92 (позиция с 1 по 10).

Существенная разница рассматриваемой системы по отношению к пре­дыдущей начинается с того, что соотношение обмоточных характеристик ка­тушек 4 и 10 преобразователя напряжения выполнено так, что напряжение вы­соковольтной катушки на порядок меньше, чем в предыдущей системе, и со­ставляет примерно 1500 — 3000 В.

В цепи электрического питания свечи установлен полупроводник 11. конденсатор-накопитель заряда 12 (емкостью примерно 10 мкФ) и газо­разрядное устройство 13, которое наполнено парами ртути либо инертным га­зом (неоном или аргоном). Если в предыдущей системе каждый импульс элек­трического тока с катушки 10 поступал на свечу, то в рассматриваемой системе этому препятствует газоразрядное устройство, которое может проводить ток только при достижении определенного напряжения (напряжения зажигания газоразрядника Uзаж)- Выключение газоразрядного устройства происходит при несколько более низком напряжении, чем его зажигание (напряжении потуха­ния газоразрядника Unот). Функционально газоразрядник 13 в цепи питания свечи работает как двухпозиционный ключ, пропуская на центральный элек­трод свечи электрический ток в диапазоне напряжений Uзаж>=U>=Uпот. Напряже­ние, подаваемое в высоковольтную сеть со стороны катушки 10, заведомо меньше напряжения Uзаж и при выключенном газоразряднике через полупро­водник 11 питает конденсатор 12. В каждом цикле автоколебаний преобразова­теля напряжений конденсатор получает электрическую энергию и накапливает в себе электрический потенциал, так как его разряду, с одной стороны, препят­ствует полупроводник, а с друтой, — газоразрядник. Как только напряжение на

обкладках конденсатора становится равным напряжению Uзаж, включается га­зоразрядное устройство и пропускает ток на свечу. С этого момента свечу пи­тает конденсатор, на котором напряжение начинает падать. Как только оно становится равным напряжению Uпот, газоразрядное устройство перестает про­водить ток и конденсатор снова заряжается и весь цикл повторяется сначала. На рис.94 этот процесс показан в виде зависимости напряжения на обкладках конденсатора Uконд времени.

Поскольку конденсатор в цепи активного электрического сопротивле­ния обладает свойством инерционного звена, то нарастание и спад напряжения происходят во времени по экспоненциальной кривой. Из рис. видно, что после некоторого пускового периода в высоковольтной части системы устанавлива­ются собственные автоколебания напряжения. Их частота определяется соот­ношением напряжений срабатывания газоразрядника и емкостью конденсатора. В реально выполненных системах частота автоколебаний напряжения в высо­ковольтном контуре находится в диапазоне 100- 150Гц.

Низковольтная свеча поверхностного нагрева также имеет существен­ное отличие от высоковольтной искровой свечи, рассмотренной выше. В ее корпусе 17 размещен керамический изолятор 16, внутри которого находится центральный электрод 15. Рабочая часть свечи представляет собой коническую пластинку 18 шириной примерно 2—3 мм, через которую центральный элек­трод соединен с корпусом. Эта пластинка выполнена из двуокиси титана (ТiO2).













Рис94

Процесс установления автоколебаний напряжения в высоковольтном контуре свечи поверхностного накаливания

Рис.95

Зависимость электрического сопротивления двуокиси титана от изменения температуры

Двуокись титана обладает тем свойством, что при ее нагреве в восста­новительной среде происходит частичное восстановление Ti02, которое сопро­вождается появлением в материале избытка металлических ионов. Вблизи ио­нов локализуются слабо связанные с ним электроны. При увеличении темпера­туры связь электронов с ионами нарушается. Количество электронов резко воз­растает. Соответственно резко увеличивается проводимость материшга и падает его внутреннее электрическое сопротивление, рис.95. В результате этого дву­окись титана приобретает свойство электрической проводимости, которая воз­растает с увеличением температуры. Падение внутреннего сопротивления ма-

териала приводит к увеличению силы пропускаемого тока, а это в свою очередь

— к последующему возрастанию температуры материала и т. д.

Таким образом, при каждом цикле питания свечи током высокого на-пряжения пластинка с двуокисью титана разогревается и примерно на пятом цикле происходит гарантированное воспламенение горючих смесей вблизи ра­зогретой пластинки.

Свеча поверхностного нагрева стойка по отношению ко всем окисли­телям, но для быстрого нагрева предпочтительно наличие вблизи свечи восста­новительной среды (избытка горючего). Мгновенная мощность тепловыделе­ния свечи составляет примерно 40 тыс. Вт, средняя потребляемая первичной катушкой мощность преобразователя напряжения — примерно 300 Вт, полез­ный коэффициент использования энергии - примерно 0,8.

Недостатком этого способа является сравнительно малая тепловая мощность электрической свечи. Поэтому часто при применении электри­ческого зажигания с помощью свечи воспламеняют топливо при небольшом расходе в форкамере, где создается дежурный факел, от которого уже происхо­дит воспламенение компонентов при основном расходе. Кроме того, для обес­печения электрического зажигания необходим источник электрической энер­гии, который не всегда имеется на летательном аппарате. Электрическое зажи­гание удобно использовать в камерах многоразового действия и многократного запуска.

Для воспламенения некоторых топлив (например, перекиси водорода) возможно использование каталитических поверхностей, способствующих воз­никновению реакции.

9.4. Остановка двигателя

Требования к последовательности остановки ЖРД определяют, назначением. При этом предусматривается либо остановка двигателя полной выработкой компонентов из баков, либо принудительная остановка путем закрытия в заданный момент отсечных клапанов топлива.

Работа двигателя до полной выработки компонентов применяется на ЗУРах, торпедах и в некоторых случаях на начальных ступенях мно­гоступенчатых ракет.

Принудительная остановка двигателя необходима на баллистических или космических ракетах, когда двигатель должен прекратить работу в задан­ный момент, например при достижении ракетой определенной скорости. При этом часто двигатель сначала переводится на режим меньшей тяги, а затем полностью отключается. Для прекращения подачи топлива используются пневмогидравлические или пиротехнические отсечные клапаны. Важным кри­терием качества принудительной остановки двигателя является величина так называемого импульса последействия.
9.5. Система управления направлением вектора тяги

Для создания направляющих моментов и усилий в ЖРД используются следующие мероприятия:

  • подвижные элементы, устанавливаемые в газовом потоке, истекаю­щем из сопла;

  • камеры, устанавливаемые на шарнирном или карданном подвесе;

  • рулевые двигатели;

  • поворотные сопла;

  • впрыск жидкости или вдув газа в расширяющуюся часть сопла;

  • изменение тяги отдельных камер многокамерного двигателя.

Подвижные элементы установленные в газовом потоке, истекающем из сопла


1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16


написать администратору сайта