Лекция 4

2 Система топливопитания

Предназначена для бесперебойного питания камеры сгорания ЖРД компонентами топлива с заданными расходами и давлениями, определяемыми САР тяги. Система топливопитания включает в себя: баки с компонентами топлива; трубопроводы, по которым подаются компоненты топлива от баков до ТНА; устройства коррекции динамических характеристик трубопроводов (демпферы); непосредственно ТНА; внутридвигательные каналы, включая топливные форсунки.

3 Система заправки и слива ЖРДУ

Система заправки и слива основных компонентов топлива служит для подачи в баки нужного количества топлива требуемой кондиции в процессе подготовки РН к пуску и проведения слива компонентов при несостоявшемся пуске. Существуют два основных метода заправки: массовая и объемная. Массовая заправка заключается в подаче постоянной массы каждого компонента топлива в соответствующие баки, объемная заправка предусматривает выдерживание с определенной точностью заправляемого объема обоих компонентов, при этом масса каждого из них переменна и определяется температурой, сортностью и другими характеристиками.

В процессе заправки, когда компонент из наземного хранилища поступает в баки, газовая полость последних должна сообщаться с окружающей средой, в противном случае баки могут быть разрушены за счет повышения в них давления. Процесс заправки любой РН ограничен ее продолжительностью, что предопределяет необходимые проходные сечения трубопроводов и дренажного клапана, а при заправке криогенных топлив и условиями, обеспечивающими минимальные потери компонента на испарение и исключающими возникновение провалов давления в газовом объеме бака за счет его охлаждения.

Провалы давления могут привести к разрушению баков, так как последние, как правило, выдерживают лишь незначительное внешнее избыточное давление.

Система заправки и слива компонентов топлива имеет наземную и бортовую части, причем бортовая состоит из подводящего трубопровода, заправочного клапана, наполнительного соединения, отстыковываемого средствами наземного комплекса перед стартом РН, устройства, направляющего или локализующего поток в определенной части бака, и дренажного устройства (клапана).

Система заправки криогенных компонентов топлива также используется и для корректировки их уровня непосредственно перед пуском РН после ее продолжительной стоянки в заправленном состоянии или же для подпитки (восполнения) потерь компонента на испарение.

Слив топлива из баков в наземные хранилища в случае отмены пуска проводится при закрытых дренажных устройствах и избыточном давлении в баках. Помимо слива по линии заправки предусмотрен и аварийный слив из нижней точки бака при открытых дренажах самотеком. Система аварийного слива включает клапан аварийного слива, устанавливаемый на баке, и трубопроводы отвода компонента в наземные емкости.

4 Система термостатирования компонентов топлива

Система трмостатирования компонентов топлива свойственна РН с длительным временем нахождения в заправленном состоянии на пусковой установке при использовании высококипящих компонентов топлива с узким или односторонним температурным диапазоном существования в жидкой фазе и криогенных компонентов топлива в целях исключения их потерь на испарение. Система термостатирования, сужая температурный диапазон хранения компонента на борту РН, также улучшает условия работы двигателя по температуре компонента на входе, более полно использует объемы баков.

Система термостатирования для высококипящих компонентов топлива работает следующим образом. В процессе стоянки заправленной РН компонент в баке либо охлаждается, либо нагревается, что вызывает изменение его среднебаковой температуры. Учитывая длительность стоянки и требования готовности ракеты-носителя к пуску, устанавливают цикл «слив части прогретого (или охлажденного) компонента – заправка новой порции переохлажденного (или подогретого) компонента», для которого операции термостатирования выполняют по линиям системы заправки.

При применении криогенных компонентов топлива и наличии системы термостатирования в составе стартового комплекса РН последнюю заправляют компонентами, охлажденными ниже температуры кипения (переохлажденными компонентами). При стоянке РН происходит прогрев компонента и его расслоение в баке (более теплые слои располагаются в верхней части). Учитывая требования готовности РН к пуску, устанавливают цикл «слив компонента из нижней части бака - подача переохлажденного компонента в его верхнюю часть на прогретые слои», при этом компонент сливают по линии заправки, а подают на борт через внутрибаковый коллектор термостатирования, расположенный в верхней части бака, и линию подачи компонента в коллектор с необходимой арматурой. Обычно подобная система термостатирования работает совместно с системой барботирования.

5 Система барботирования компонентов топлива

Система барботирования компонентов топлива предназначена для интенсивного продавливания через его слой сжатого газа, имеющего малую растворимость в данном компоненте. При барботировании происходит перемешивание жидкости, обеспечивающее выравнивание ее температуры по всей толщине слоя. Применительно к криогенным компонентам топлива при барботировании обычно используют гелий, который, выходя из коллектора в виде мелких пузырьков, пронизывает всю массу компонента в баке и способствует выравниванию и понижению его температуры за счет испарения в пузырьки газа. Недостатком барботирования криогенного топлива является увеличение потерь на испарение и некоторое вспухание уровня. Система барботирования помимо коллектора, расположенного в нижней части бака, включает подводящие трубопроводы и арматуру.

6 Система циркуляции

Система циркуляции предназначена для устранения так называемого гейзерного эффекта, возникающего в трубопроводах подачи криогенного компонента к двигателю из-за перегрева и интенсивного кипения в насыщенном или перегретом столбе криогенной жидкости. Внешне гейзерный эффект проявляется в виде выброса жидкости из трубопровода, причем процесс носит циклический характер. Устранение гейзерного эффекта достигается циркуляцией компонента в трубопроводе подачи путем создания циркуляционного контура: бак – теплоизолированный трубопровод подачи – неизолированный трубопровод циркуляции, подстыкованный к расходной магистрали в ее нижней точке (обычно на двигателе вблизи клапана циркуляции), – бак. Приток тепла к двум указанным трубопроводам неодинаков; в одном из них компонент более нагрет и менее плотен, чем в других. Менее плотный и более нагретый компонент по трубопроводу циркуляции поступает в бак, поднимается к поверхности и, закипая, охлаждается, а компонент в трубопроводе подачи охлаждается за счет поступления новых порций из бака. Таким образом, в системе устанавливается непрерывное перемещение компонента и вся система приходит в равновесное состояние. При «холодном» запуске система циркуляции, как правило, совмещена с системой захолаживания двигателя.

7 Система захолаживания двигателя

Система захолаживания двигателя предназначена для охлаждения конструкции двигателя, работающего на криогенном компоненте, в целях исключения интенсивного испарения в его полостях первых порций поступающего криогенного компонента и обеспечения надежного и устойчивого процесса запуска. При захолаживании криогенный компонент через отсечный клапан при открытом клапане циркуляции, расположенном на двигателе, самотеком заполняет его внутренние полости. Для ускорения захолаживания в трубопровод циркуляции подают газообразный гелий, что увеличивает скорость циркулирующего потока.

8 Система продувки двигателя

Система продувки двигателя служит для замещения атмосферного воздуха, компонентов топлива, продуктов сгорания или газогенерации в его внутренних полостях и в системах ДУ воздухом, нейтральным или специальными газами. Продувка обеспечивает надежность запуска и выключения двигательной установки и обычно проводится по линии горючего; ее продолжительность определяют опытным путем при отработке двигателя. Продувка, предшествующая запуску двигателя, не только «прочищает» тракт, но и подготавливает его к рабочему состоянию, а момент ее окончания согласуется с подачей сигнала «Запуск». Послепусковая продувка, выполняемая по выключению двигателя, освобождает его тракты от компонентов, исключает нежелательные явления при догорании подтекающего топлива и существенно снижает импульс тяги последействия. На ДУ первых ступеней предпусковая продувка проводится от наземной системы, ДУ последующих ступеней – от предыдущей ступени, а отработавших РБ – от системы, расположенной на самом блоке. Система продувки состоит из баллонов с запасом газа высокого давления, коллекторов, трубопроводов подвода газа к двигателям и арматуры и включается по сигналу СУ.

На двигателе предусмотрены три системы продувки: продувка полостей горючего КС и ГГ на запуске; продувка промежуточной полости THA; продувка камеры на останове.

Система продувки на запуске предназначена: для исключения попадания окислителя в магистрали горючего камеры и газогенератора; для обеспечения эмульсионного запуска двигателя, позволяющего осуществить медленный выход двигателя на режим промежуточной ступени.

Система продувки промежуточной полости предназначена для исключения проникновения в промежуточную полость из насосов компонентов топлива и предотвращения образования в ней взрывоопасной смеси.

9 Система автоматического регулирования тяги

Система автоматического регулирования (САР) тяги или давления в камере сгорания двигателя предназначена для поддержания на заданном уровне или изменения по программе в пределах допустимой погрешности тяги без вмешательства человека – оператора. В такой САР двигатель называют объектом регулирования, а устройство, при помощи которого осуществляется регулирующее воздействие на него – регулятором.

Для пояснения сути функционирования САР ЖРД рассмотрим систему регулирования давления в КС ЖРД с однокомпонентой вытеснительной системой топливопитания. Давление в КС двигателя устанавливается программным механизмом ПМ (рис. 3), сигнал на выходе которого сравнивается в элементе сравнения ЭС с усиленным сигналом от датчика давления, установленного в камере сгорания. При отклонении тяги от программного значения по тем или иным причинам появляется сигнал на выходе элемента сравнения ЭС, который усиливается в усилители мощности У, и подается на вход в электропривод ЭП. Электропривод, изменяя затяжку пружины газового редуктора, изменяет давление наддува бака с топливом. Расход топлива изменяется и давление в камере сгорания двигателя становиться равным программному значению. Сигнал с выхода элемента сравнения ЭС становиться равным нулю и процесс регулирования прекращается.

Рис. 3. Функциональная схема САР давления в камере сгорания однокомпонентного ЖРД с вытеснительной системой топливопитания: ДД – датчик давления; УН – усилитель напряжения; ЭС – элемент сравнения; ПМ – программный механизм; УМ – усилитель мощности; ЭП – электропривод

10 Система регулирования соотношения компонентов топлива

Соотношение компонентов топлива (окислителя и горючего) может существенно влиять на процесс горения в камере сгорания и газогенераторе двигателя. Отклонение коэффициента соотношения компонентов в основной камере сгорания на номинальном режиме работы двигателя не приводит к сильному отклонению температуры и газовой постоянной в камере сгорания и как следствие изменению тяги двигателя. Поэтому не всегда предусматривается специальная САР соотношения компонентов топлива в основной камере сгорания двигателя. В этом случае соотношение компонентов косвенно поддерживается системой регулирования расхода компонентов топлива или системы синхронного опорожнения баков.

В жидкостном газогенераторе (ЖГГ), работающем на избытке одного из компонентов топлива, наблюдается обратная картина, т.е. незначительное изменение соотношения компонентов () приводит к существенному изменению его выходного параметра (температуры газа). Поэтому требования по точности поддержания в ЖГГ более жесткие. Следует отметить, что за счет изменения соотношения компонентов в ЖГГ при помощи регулятора расхода производится изменение частоты вращения ротора турбонасосного агрегата (ТНА), расхода компонентов топлива и, в конечном счете, тяги двигателя.

Дата добавления: 2014-12-23