Рисунки

ГИДРАВЛИКА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Курс лекций для студенческих групп, начало курса с 2012г., третий семестр

ЛЕКЦИЯ 1 (продолжительность 3 часа)

Тема 1. Общие сведения. Характеристика гидравлического тракта ЖРД как системы подачи жидкости потребителю.

1.1. Введение. Основные понятия и определения применительно к теме.

1.2. Общие характеристики трубопроводной системы.

1.3.

1.4. Истечение из насадков.

1.5. Кавитационный режим течения.

Тема 2. Описание и характеристика гидравлических элементов тракта камеры сгорания и газогенератора.

2.1. Форсунки.

2.3. Тракт охлаждения.

2.4. Проточная часть насосов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сточек Н. П., Шапиро А. С. Гидравлика жидкостных ракетных двигателей. М: Машиностроение, 1978.

2. Сиов Б. Н. Истечение жидкости через насадки. М: Машиностроение, 1968.

3. Некрасов Б. Б. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах. М: Машиностроение, 1967.

Рисунки

Рис. 1. График зависимости коэффициента расхода цилиндрического насадка от числа кавитации

ТЕМА 1

1.1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Гидравлика – наука о законах движения и равновесия жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач. В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) закономерности гидравлики используются при проектировании и технологическом контроле агрегатов и систем, обеспечивающих подачу топлива из баков в камеру сгорания (так называемые холодные или проливочные испытания).

Гидравлический тракт ЖРД состоит из соединительных трубопроводов с дросселирующими устройствами, запорных клапанов, насосов, регуляторов, каналов для охлаждения камеры сгорания и форсунок, распыливющих жидкость (топливный компонент: окислитель и горючее). В каждой отрасли техники, где используется жидкость, гидравлика (прикладная гидромеханика) имеет свои особенности. Они определяются рядом специфических для данной области применения факторов: геометрическими формами проточных частей гидротракта, свойствами рабочих жидкостей (сжимаемость, несплошность, т.е., как минимум, двухфазность, вязкость, закон вязкого трения и другое), режимами течения (напорный или безнапорный; высоконапорный или низконапорный; ламинарный, переходный или турбулентный; стационарный или неустановившийся; с подводом тепла или без подвода и т.д.), влиянием массовых сил, а также методами исследования закономерностей течения в рассматриваемой гидросистеме (расчетный или экспериментальный), требуемой точностью определения гидравлических характеристик.

Применительно к ЖРД актуальными вопросами являются: зависимости коэффициентов расхода отверстий в тонкой стенке и различной формы насадков от критериев Рейнольдса, Вебера и кавитации (от числа кавитации); влияние основных геометрических и режимных параметров на кавитационные характеристики элементов гидравлического тракта систем подачи компонентов ракетного топлива, а также проблем оптимизации этих процессов и параметров, некоторые другие вопросы.

Жидкостной ракетный двигатель состоит (в общем виде) из турбонасосных агрегатов, газогенераторов, камер, создающих тягу, топливных магистралей и агрегатов автоматики. Жидкость (компонент топлива) подается потребителю (в камеру сгорания) посредством насосной или вытеснительной системы. Один из компонентов топлива, а иногда и оба охлаждают стенку камеры, нагреваются и уже подогретыми поступают к форсункам. На современных двигателях имеется сложная система клапанов, регуляторов, управляющих и контролирующих приборов, которая (эта система) обеспечивает запуск, выход на режим и останов двигателя, а также поддерживает во время полета заданные программой тягу и соотношение расходов топливных компонентов. Гидравлическая система ЖРД охватывает практически все узлы: турбину, насосы, трубопроводы, камеру и агрегаты автоматики.

Для гидросистемы двигателя основным режимом является стационарный режим течения капельной жидкости. Неустановившиеся режимы характерны для запуска и останова ЖРД, а также для двигателей малых тяг, работающих в импульсном режиме, т.е. для реактивных систем управления.

Гидравлическая система ЖРД работает в условиях высоких перепадов давления, ее отличает сложная форма каналов, малые их геометрические размеры, близкое расположение различных гидравлических сопротивлений, связанное с общей компоновкой двигателя и вызывающее возможность их взаимного влияния. Все это часто приводит к необходимости определения гидравлических характеристик двигателя опытным путем. Исследования проводят обычно на натурных узлах и деталях двигателя, воссоздающих сложную конфигурацию тракта и качество обработки его поверхности (шероховатость). В большинстве случаев испытания проводятся не на компонентах топлива, а на воде и водоглицериновых смесях в условиях, моделирующих рабочие процессы по всем основным критериям подобия.

Давление питания Рн (давление подачи) расходуется на преодоление потерь энергии (давления) в гидравлическом тракте двигателя ΔР и давления в камере сгоранияРк (противодавление). Чтобы правильно выбрать давление подачи, необходимо знать величину давления в камере, которая определяется характеристиками двигателя (тягой, удельным импульсом), и величину потерь давления в тракте. Потери давления определяются на стадии проектирования двигателя расчетным путем, находя потери давления в отдельных узлах и агрегатах (как местные сопротивления), а затем путем сложения их – суммарную потерю давления по всему тракту. Поскольку расчет гидравлического тракта при проектировании является приближенным, то уже на стадии отработки агрегатов значения их гидравлических сопротивлений уточняется опытным путем.

Гидравлические сопротивления – безвозвратные потери полного давления – различают двух видов: местные гидравлические сопротивления и сопротивления трения по длине гидравлического тракта. В ЖРД существуют оба вида сопротивления, так, например, соединительные трубопроводы, тракт охлаждения камеры сгорания, сопла представляют собой главным образом сопротивление по длине, а форсунки, дроссельные шайбы, переходные узлы, коллекторы – местные сопротивления. Величина гидравлических потерь обычно оценивается коэффициентом гидравлического сопротивления ξ, который представляет собой отношение перепада полного давления ΔР на каком-либо участке тракта к скоростному давлению ρw²/2 в сечении тракта, к которому коэффициент отнесен:

, (1)

где w – скорость течения жидкости, м/с; ρ – плотность жидкости, кг/м³. Коэффициент сопротивления ξ зависит от многих переменных: геометрии, чисел Рейнольдса, Фруда, кавитации.

Однако при установившемся режиме течения для напорных потоков несжимаемой жидкости – потоков, для которых действием гравитационных сил можно пренебречь; влияние числа Фруда можно не учитывать. Зависимость ξ от числа кавитации проявляется только в кавитационном режиме течения. Для бескавитационного установившегося напорного течения несжимаемой жидкости коэффициент гидравлического сопротивления является функцией только числа Рейнольдса, характеризующего соотношение сил вязкости в потоке и сил инерции. Для некавитирующих потоков несжимаемой жидкости, протекающей в геометрически подобных каналах, равенство чисел Рейнольдса предопределяет равенство значений ξ. Коэффициент гидравлического сопротивления различен при ламинарном и турбулентном режимах течения. Теоретически значение ξ можно определить для прямолинейных труб при ламинарном течении. В большинстве остальных случаев коэффициент гидравлического сопротивления находится опытным путем.

1.2.ПОТЕРИ НА ТРЕНИЕ ПО ДЛИНЕ

(общие характеристики трубопроводной системы)

Потери на трение по длине гидравлической системы (трубопроводной системы) составляют заметную часть общих потерь давления в гидравлическом тракте двигателя. Отличительной особенностью ряда участков гидротракта ЖРД является незначительная их длина. В связи с этим большое влияние на величину их гидравлического сопротивления оказывает начальный участок – участок, на котором происходит перестроение поля скорости. Наличие начального участка вызывает дополнительную потерю давления, которая для коротких труб может быть соизмерима с потерей давления по длине собственно трубы. Величина потерь давления на начальном участке исследована теоретически только для труб с плавным входом при ламинарном режиме течения. В трубопроводах же ЖРД в большинстве случаев входная кромка специально не скругляется, а режим течения – турбулентный. Наличие в трубе острой входной кромки усложняет решение задачи, т.к. при ее обтекании происходит отрыв потока и деформация поля скорости. Эти потери суммируются с основными потерями. кси

Коэффициент сопротивления трения ξ_тр по длине прямой трубы постоянного сечения выражается через линейный коэффициент сопротивления λ в виде

ξ_тр = λℓ/d, (2)

где ℓ - длина трубопровода, d – внутренний диаметр трубопровода.

Коэффициент λ зависит от режима течения жидкости. При ламинарном режиме течения (когда число Рейнольдса R_е меньше 2·10³) значение линейного коэффициента сопротивления определяется теоретической формулой Пуазейля λ = 64/R_е.

Переход ламинарного режима течения в турбулентный сопровождается резким изменением закона сопротивления; гидравлические потери значительно возрастают и становятся пропорциональными примерно квадрату скорости, а не первой степени, как при ламинарном режиме. В диапазоне чисел Рейнольдса 4·10³…10⁵ для гидравлически гладких труб коэффициент λ может быть с достаточной степенью точности выражен формулой Блазиуса

(3)

В отличие от ламинарного режима течения, при турбулентном режиме величина коэффициента сопротивления зависит не только от числа Рейнольдса, но и от относительной шероховатости стенок трубы (относительная шероховатость представляет собой отношение абсолютной шероховатости к диаметру трубы , где Δ – эквивалентная абсолютная шероховатость, d– диаметр трубы).

В ЖРД применяются, как правило, высококачественные бесшовные трубы, которые можно считать гидравлически гладкими.

ИСТЕЧЕНИЕ ИЗ ОТВЕРСТИЯ В ТОНКОЙ СТЕНКЕ

Истечение из отверстия в тонкой стенке играет большую роль в гидравлике ЖРД. Дроссельные шайбы, жиклеры, струйные форсунки часто выполняются в аиде отверстий в тонкой стенке, причем, как правило, диаметр его не превышает 0,2…3 мм. Истечение из отверстия может происходить в атмосферу, в газ с повышенным избыточным давлением, под уровень жидкости (затопленное истечение). Перепад давленияна в отверстии обычно составляет от 0,1 до 10 МПа (1…100 кг/см²).

В ряде гидравлических задач, например, при расчете расходных характеристик, удобно пользоваться не коэффициентом гидравлического сопротивления λ, а коэффициентом расхода μ, представляющем собой отношение фактического расхода жидкости G, протекающей через местное сопротивление, к расчетному G_т (теоретическому), определенного по геометрическим размерам и средней скорости течения, найденной из условия полного, т.е. без потерь, преобразования потенциальной энергии потока в кинетическую, т.е. μ = G/G_т. В этом случае , ясно, что μ < 1

Поскольку имеющиеся исследования зависимости коэффициента расхода от числа Рейнольдса проводились в области больших (по сравнению схарактерными для ЖРД) размеров при свободном истечении жидкости в воздух и при перепаде давления (на отверстии) в диапазоне до 0,3 МПа, то возможность использования этих данных для ЖРД необходимо подтвердить экспериментально.

В гидравлике применительно к ЖРД наряду с известными критериями: число Рейнольдса, число Вебера, - используется число кавитации:

, где Р_i – статическое давление в соответствующем сечении, Р_П – давление парообразования жидкости при данной температуре, т.е. давление на пограничной кривой в координатах Р-Т, W – скорость потока в данном сечении.

Отличительной особенностью гидравлической характеристики отверстия в тонкой стенке, определяющей его широкое распространение в конструкции узлов ЖРД, является постоянство величины коэффициента расхода μ при изменении числа кавитации.Однако это утверждение справедливо лишь при определенной относительной длине отверстия, не превышающей 0,25d₀ (d₀ – диаметр отверстия).Таким образом, отверстием в тонкой стенке можно считать отверстие с относительной длиной ℓ/d₀ ≤ 0,25.