Системы наддува топливных баков

Для обеспечения работы центробежных насосов ЖРД особенно при высоких давлениях в камере двигателя (свыше 100–200 и более кг/см²) необходимо на входе в насос иметь достаточное высокое давление в рас­ходуемом компоненте (несколько атмосфер). Для этого баки должны наддуваться газом. Давление наддува обеспечивает создание в баках рас­тягивающей силы, способствующей снижению сжимающих нагрузок.

Системы наддува топливных баков – составные части ПГС ракет с ЖРД.

К этим системам предъявляются следующие основные требования:

– безотказность действия и обеспечение заданного режима наддува с определенной точностью;

– малая масса и небольшие габариты элементов системы;

– удобство и безопасность эксплуатации.

Наддув топливных баков с насосной системой подачи необходим:

– для обеспечения бескавитационной работы насосов на всех режимах работы двигателя;

– для устранения провала давления в баках в момент запуска двигателя;

– для ускорения выхода двигателя на режим (уменьшение предстартовых расходов топлива);

– для повышения прочности баков при воздействии на них осевых сжимающих нагрузок.

В ракетах с насосной подачей топлива применяются в основном центробежные лопастные насосы, поэтому для обеспечения их бескавитационной работы необходимо, чтобы давление жидкости при входе в насос было всегда выше давления упругости паров этой жидкости. Это превышение должно быть тем больше, чем больше расход компoнeнта топлива и число оборотов насоса.

Давление жидкости на входе в насос Р_вх, складывается из давления столба жидкости Р_ст и давления газа наддува над свободной поверхностью жидкости Р_б. Учитывая потери в топливной системе DР_S, давление на входе в насос будет Р_вх = Р_ст + Р_б + DР_S. До пуска ракеты Р_ст = h ₀ r, где h ₀ – начальная высота столба жидкости.

На активном участке траектории давление столба жидкости пе­ред насосом будет переменным. За счет выработки компонента высота столба h жидкости уменьшается, ракета движется с ускорением и на столб жидкости будет действовать осевая перегрузка n_x.

Статическое давление на входе в насос в каждый момент времени будет Р_ст = hr n_x. Если при расчете насоса на кавитации определена величина минимально допустимого давления на входе P_{вх min}, то потребное давление в баке должно быть таким, чтобы при минимальном давлении столба жидкости обес­печивалось необходимое давление на входе в насос, т.е.

Р_{б min} = P_{вх min} – Р_{ст min} + DР_S.

Для обеспечения нормальной работы двигателя, применяются следующие виды наддува баков:

– предстартовый наддув баков первой ступени, обеспечивающий запуск двигателей этой ступени;

– бортовой наддув, обеспечивающий работу двигателей на номинальном режиме;

– гарантийный наддув или поднаддув баков второй и последующих ступеней, обеспечивающих запуск их двигателей.

В современных ракетах используются следующие системы борто­вого наддува топливных баков:

– системы наддува, использующие продукты сгорания основных компонентов топлива;

– газобаллонные системы наддува (воздухом, азотом или гелием);

– испарительные системы наддува.

Выбор системы наддува определяется:

– конструктивной схемой ракеты;

– физико-химическими свойствами ком­понентов топлива;

– требованием обеспечения минимальной массы кон­струкции.

Созданию большого давления в баках препятствует воз­никновение существенных кольцевых напряжений, могущих при­вести к разрыву оболочки.

Наддув баков может осуществляться газом, запасенным на бор­ту ракеты, в соответствующих емкостях, либо образуется в резуль­тате испарения компонентов РТ в специальных теплообменниках, либо вырабатываться на борту в специальных генераторах с исполь­зованием основных или вспомогательных КРТ.

В последнем случае в баки подается газ с достаточно высокой температурой; поэтому недопустимо, чтобы газ наддува попадал на стенки бака во избежание нагрева стенок и снижения прочностных свойств материала бака. Также нежелательно попадание горячего газа на поверхность жидкого компонента, особенно горючего, в ре­зультате чего может произойти образование твердых частиц (смол) в компоненте, ухудшающих работу форсунок двигателя. Конструкция распылителей газа наддува показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Типовые конструкции распылителей газонаддува:

а) При наддуве горячим газом с защитой от действия газа как стенки бака, так и поверхности жидкости:

1 – коллектор; 2 – полукольцевой экран защиты стенки бака; 3 – стенка бака; 4 – форсуночные отверстия; 5 – элемент крепления экрана на стенке бака; 6 – основание крепления коллектора; 7 – трубопровод подачи газа;

б) При наддуве горячим газом с направляющими экранами:

1 – форсунка; 2 – направляющий экран;

в) при наддуве холодным газом:

1 – форсунки; 2 – коллектор наддува

В настоящее время решена задача организации наддува баков путем впрыска непосредственно в бак окислителя некоторого коли­чества горючего, а в бак горючего – окислителя. Происходящая ре­акция в баках обеспечивает выработку газа наддува прямо в баке. Такая схема значительно упрощает систему наддува, хотя может применяться при использовании самовоспламеняющихся КРТ.

Возможна схема получения газа наддува путем сжигания ос­новных компонентов топлива в специальных генераторах наддува при соотношениях компонентов, очень далеких от стехиометрических. При этом может быть получен газ с низкой температурой (200–250 °С), который направляется в наддуваемый бак. Возможна также схема отбора газа для наддува из ГГ и даже из камеры двига­теля с последующим смешением очень горячего газа (температура 800–2000°) с холодным компонентом, что также приводит к охлаж­дению газа до приемлемых для наддува температур.

4.1. Предохранительные устройства для сброса избыточ­ного давления

При наддуве баков давление в баке может превысить допусти­мое. Во избежание разрушения оболочки бака имеется предохрани­тельный клапан. Обычно клапан устанавливается в верхней части бака, так, чтобы при заправленном баке дренаж происходил из газо­вой подушки, всегда имеющейся над зеркалом жидкости. В некото­рых случаях при совмещенном днище в нижнем баке невозможно установить дренажный клапан в верхней части бака. Тогда сброс давления происходит через трубу, соединяющую газовую подушку с дренажным клапаном, установленным в любой точке оболочки.

Следует учесть, что ДПК расположенных компонентов, как пра­вило, размещаются в диаметрально противоположных зонах баков (особенно в баках для самовоспламеняющихся компонентов), что следует учесть при размещении площадок обслуживания.

Предохранительный клапан открывается и закрывается автома­тически, при достижении давления в баке, равным давлению на­стройки. При снижении давления после выхода части газов из бака клапан закрывается.

В процессе наземной эксплуатации возникает необходимость соединения полости бака с атмосферой или другой внешней емко­стью при выполнении некоторых технологических операций. На­пример, при заправке, захолаживании или вентиляции бака необхо­димо сбрасывать газ, заполняющий бак, по мере наполнения бака захолаживающим или вентилирующим газом или компонентом топ­лива. Аналогично, при сливе компонента в случае несостоявшегося старта необходимо обеспечить заполнение освобождающегося от компонента объема бака газом (воздухом или другим специальным газом) во избежание образования в баке пониженного по сравнению с атмосферным давления и потери устойчивости оболочки бака. Для исключения необходимости установки специального, управляемого по командам от технологической системы управления клапана, эту функцию передают предохранительному клапану. Для этого в по­следнем устанавливают специальное устройство, открывающее и закрывающее клапан по командам технологической системы управ­ления. Такой клапан называется дренажно-предохранительным (ДПК). Схема ДПК показана на рис 4.2. Схема установки ДПК на корпусе топливного бака показана на рис. 4.3.

Рис. 4.2. Схема дренажно-предохранительного клапана: 1 – клапан; 2 – седло клапана; 3 – корпус клапана; 4 – шток клапана; 5 – пружина клапана; 6 – тарель настроечного винта; 7 – настроечный винт; 8 – ЭПК управляющего газа; 9 – стенка бака; Рб – давление в баке; Ph– давление во внешней среде; Р упр – давление управ­ляющего газа

Рис. 4.3. Схемы установки ДПК:

а) На верхнем днище бака:

1 – ДПК; 2 – стенка верхнего днища; 3 – горловина трубопровода ДПК; 4 – трубопровод ДПК; 5 – фланец крепления ДПК; 6 – трубопро­вод управляющего газа;

б) На обечайке бака с помощью разъемного соединения:

1 – ДПК; 2 – обечайка бака; 3 – вваренное основание ДПК; 4 – фланец ДПК; 5 – трубопровод управляющего газа;

в) На обечайке бака с помощью сварки:

1 – ДПК; 2 – обечайка бака; 3 – трубо­провод управляющего газа;

г) На нижнем днище заднего бака топливного отсека с совмещенным днищем:

1 – ДПК; 2 – трубопровод сброса газа наддува из верхней полости бака; 3 – нижнее дни­ще топливного отсека; 4 – обечайка заднего бака топливного отсека; 5 – совмещенное днище; 6 – горловина трубопровода ДПК; 7 – трубопровод управляющего газа

Дата добавления: 2014-01-07