расчет основных проектных параметров огневого стенда. 1.2 Проектный расчет конструкции стенда. 1. 2 Проектный расчет конструкции стенда

Название	1. 2 Проектный расчет конструкции стенда
Анкор	расчет основных проектных параметров огневого стенда
Дата	28.11.2021
Размер	288.23 Kb.
Формат файла
Имя файла	1.2 Проектный расчет конструкции стенда.docx
Тип	Документы #284194

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

= 930 [кг/с].

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:

(1.1)

Определение массы топлива через секундно-массовый расход:

Определение удельного импульса двигателя:

(1.2)

– расход горючего единичной камеры сгорания двигателя;

– расход окислителя единичной камеры сгорания двигателя;

Расход горючего двигателя определяется по следующей формуле:

(1.3)

Расход окислителя двигателя определяется по следующей формуле:

(1.4)

Масса горючего необходимого для испытания:

Масса окислителя необходимого для испытания:

Объём горючего необходимого для обеспечения заданного импульса двигателя:

(1.5)

Объём окислителя необходимого для обеспечения заданного импульса двигателя:

(1.6)

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:

(1.7)

Объём окислителя, потери при запуске испытания определяется по следующей формуле:

(1.8)

Потери топлива при запуске определяются программой запуска двигателя. Время запуска двигателя на режим выбирается из интервала

= (0,2–2,5) секунд.

Для данного типа двигателя:

Объём потерь горючего при запуске:

(1.9)

Объём потерь окислителя при запуске:

(1.10)

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:

(1.11)

Объём газовой подушки бака окислителя определяется по формуле:

(1.12)

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:

(1.13)

где 1,5 – коэффициент запаса компонентов топлива.
Объём гарантийного остатка окислителя определяется по следующей формуле:

(1.14)

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:

(1.15)

Объём, занимаемый арматурой бака окислителя, определяется по формуле:

(1.16)

Полный объём бака горючего определяется по формуле:

(1.17)

Полный объём бака окислителя определяется по формуле:

(1.18)

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

(1.37)

Определяется высота верхнего и нижнего днища бака:

(1.38)

Определяется объём днища бака:

(1.39)

Определяется объём цилиндрической части бака горючего:

(1.40)

Определяется длина цилиндрической части бака горючего:

(1.41)

Определяется полная длина бака горючего:

(1.42)

Определяется высота воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака:

(1.43)

Определяется высота уровня жидкости от нижнего днища до зеркала жидкости:

(1.44)

1.2.4.3 Расчёт продольных размеров бака окислителя
Определяется радиус верхнего и нижнего днищ бака окислителя:

(примем диаметр бака равным

(1.37)

Определяется высота верхнего и нижнего днища бака:

(1.38)

Определяется объём днища бака:

(1.39)

Определяется объём цилиндрической части бака окислителя:

(1.56)

Определяется длина цилиндрической части бака окислителя:

(1.57)

Определяется полная длина бака окислителя:

(1.58)

Определяется высота воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака окислителя:

(1.59)

Определяется высота уровня окислителя от нижнего днища до зеркала жидкости

(1.60)

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.

;

, (1.61)

Определяется масса бака горючего (метан) в соответствии со следующей формулой

, (1.62)

Определяется масса бака окислителя в соответствии со следующей формулой

, (1.63)

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:

(1.64)

Объём заправляемого окислителя определяется по формуле:

(1.65)

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:

(1.66)
Суммарные потери на местных сопротивлениях:

(1.67)

Для кольцевого заборного устройства

_ЗУ =1,5.

Коэффициенты местных потерь на сильфонах с винтовой навивкой гофра

(1.68)

(1.69)

(1.70)

(1.71)

Коэффициент сопротивления сильфона с кольцевыми гофрами на 20...25% больше, чем у сильфона с винтовой навивкой гофра.

Коэффициент потерь давления объемных датчиков

=0,8. [16, стр.194];

Коэффициент потерь давления на повороте потока:

(1.72)

(1.73)

Коэффициент потерь давления на разветвлении потока

[16, стр.194];

1.2.6.2 Определение гидростатического давления столба жидкости в баках горючего

Высота столба жидкости:

;

Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле:

(1.74)

Расчёт минимального давления в баке «Г»:

(1.75)

Определение гидростатического давления столба жидкости в конце работы ДУ:

Высота остатка незабора жидкости:

;

Высота столба жидкости:

Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле

(1.76)

Расчёт минимального давления в конец работы ДУ:

Условия отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы двигательной установки

Кавитационный запас прочности выбирается из диапазона

). [16, стр.196];

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:

(1.77)

1.2.6.4 Определение гидростатического давления столба жидкости
Высота остатка незабора жидкости:

Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле:

(1.78)

Расчёт минимального давления

(1.79)

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:

(1.79)

Расчёт номинального давления в подушке бака горючего

Номинального давления в подушке бака горючего определяется по следующей формуле:

(1.80)

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:

(1.81)

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:

(1.82)

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:

(1.83)

Определение гидростатического давления столба жидкости

Высота столба жидкости:

;

Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле:

(1.84)

Расчёт минимального давления

Давление насыщенных паров кислорода:

;

Минимальное давление определяется по формуле:

(1.85)

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

(1.86)

Определение гидростатического давления столба жидкости

Высота остатка незабора жидкости:

Высота столба жидкости:

(1.87)

Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле:

(1.88)

Расчёт минимального давления:

)

;

Определение потери давления на тарельчатом заборном устройстве

Скорость течения компонента в магистрали:

;

Коэффициент местного сопротивления для тарели:

;

Суммарные потери давления, определяются по формуле:

(1.89)

Определение гидростатического давления столба жидкости

Высота остатка незабора жидкости:

Гидростатическое давление столба жидкости определяется по формуле:

(1.90)

Расчёт минимального давления:

(1.91)

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:

(1.92)

Расчёт номинального давления в подушке бака окислителя
Номинального давления в подушке бака окислителя определяется по следующей формуле:

(1.93)

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:

(1.94)

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:

(1.95)