Учебное пособие 800504

2.Сравнительно низкая рабочая температура.

3.Отсутствие металлических частей в конструкции камеры, что исключает распыление металла, приводящее впоследствии к короткому замыканию.

4.Относительно простая механическая конструкция, система электропитания и блок управления.

Помимо преимуществ у ВЧИД имеются недостатки, связанные со сложности конструирования, а именно:

1.Ограничение применяемых материалов.

2.Юстировка электродов и их отверстий внутри ИОС.

Материал стенки ГРК должен быть устойчивым к вибрационным и ударным нагрузкам, а также быть газонепроницаемым и не сублимировать. С точки зрения диэлектрических свойств наилучшим материалом для ГРК является кварцевое стекло, однако, изготовление камер большого диаметра из данного материала представляется неоптимальной с точки прочности и веса камеры.[2] Решить данную проблему возможно при помощи использования керамических материалов.

Второй сложностью конструирования ВЧИД, как и любого другого типа ИД – является сложность юстировки электродов ИОС. Проблема заключается главным образом в сложности комплекса операций по юстировке ускоряющей системы, требующей максимальной точности не только в расположении самих электродов друг относительно друга, но и точности юстировки перфорированных отверстий. По основным геометрическим параметрам ИОС мы видим, что изготовление элементов ускоряющей системы обеспечивается только высокоточным оборудованием.

В результате анализа даны основные характеристики ВЧИД, проведен анализ конструкции и выделены принципиальные сложности в конструировании данного типа двигателя.

60

Литература

1.H.W. Loeb et al.: “State–of–the–Art of the RIT–Ion Thrusters for Space Exploration and Their Spin–Offs”. IAF–88, 258,39thIAF– Congress, Bangalore, 1988.

2.Антипов Е.А., Балашов В.В., Вебер А.В. Выбор конструкционных материалов для высокочастотных ионных двигателей/ Электронный журнал “Труды МАИ” . -2013 г.-№ 65.

3.Лёб Г.А., Попов В.А., Обухов В.А. Крупногабаритные высокочастотные ионные двигатели/ Электронный журнал “Труды МАИ” . -2012 г.-№ 60.

УДК 621.941

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ И ЦЕНТРИРОВАНИЯ БЛОКОВ ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ИХ РЕМОНТЕ

Н.Б. Бабич, ВГТУ, студент группы РД-111,тел. +7(920) 429 76 56 В.В. Голубятник, КБХА, нач. отдела

При восстановлении зеркала цилиндров растачиванием на ремонтные размеры, важное значение имеет способ центрирования блоков цилиндров, т.к. искажение межцентрового расстояния цилиндров блока более 0,02мм приводит к снижению моторесурса отремонтированного двигателя примерно на 18%.

Устройство для установки и центрирования блока цилиндров при их ремонте изображено на рисунке. Оно состоит из двух опор 1, на верхней поверхности которых нанесены осевые линии для совмещения с осевыми линиями посадочных призм 2 и 3. Призма 2 имеет упорный бортик, служащий для фиксации всего блока цилиндров, а также для совмещения осей первого цилиндра и шпинделя станка. Призмы соединены между собой трубой 4. На подвижной части стола станка закреплена планка 5 с отверстиями 6, расстояние между которыми строго равно межцентровому расстоянию цилиндров соответствующего блока, а их количество равно количеству цилиндров блока.

На неподвижной части стола вертикально-расточного станка закреплено электронное устройство с фотодиодом 7 и

61

электрическая лампочка 8. Размещены они таким образом, чтобы между фотодиодом 7 и лампочкой 8 находилась планка 5 с отверстиями 6. Остановка подвижной части стола станка в крайних положениях осуществляется конечными выключателями 9 и микропереключателем 10, а для мгновенной остановки стола станка при срабатывании фотодиода 7, на валу электродвигателя, привода подвижной части стола станка установлена электромуфта.

Схема устройства для установки и центрирования блоков цилиндров двигателей при их ремонте

Литература

1.Морозов И.М., Гузеев В.И. (2003) Техническое нормирование операций механической обработки деталей: Учебное пособие,2003 г.-67с.

2.Данилевский В.В. (1960) Справочник молодого технолога- машиностроителя,1960г.-416с.

62

УДК 681.518.54

ВЫБОР МЕСТА УСТАНОВКИ БУСТЕРНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

С.Н. Московкин, ВГТУ, студент

В.И. Пригожин, КБХА, канд. техн. наук

Выбор места установки бустерных насосных агрегатов (БНА) существенно зависит от типа ракетной ступени и ее назначения. Характерной особенностью нижних ступеней РН, обладающих высокими уровнями тяги и продолжительностью работы ДУ (180с …600с), является наличие топливных баков больших объемов и длинных трубопроводов между баком и двигателем. Кроме того, в процессе работы ДУ существует значительная осевая перегрузка, создающая при длинных трубопроводах повышенное статическое давление в потоке на входе в двигатель на величину гидростатического столба жидкости, находящейся в трубопроводе. Поэтому для таких ракетных ступеней представляется целесообразным автономные БНА системы топливоподачи ЖРДУ РН располагать на входном фланце двигателя. Такое расположение позволяет практически полностью вырабатывать компоненты топлива в трубопроводах и наиболее рационально реализовать повышенное давление гидростатического столба жидкости на входе в БНА.

Совсем другой подход существует по данному вопросу применительно к верхним ступеням изделий и РБ. Для них являются характерными сравнительно короткие трубопроводы между баками и двигателем и малые осевые перегрузки. Поэтому все преимущества расположения БНА на фланцах двигателя, характерные для нижних ступеней, отсутствуют. По этим соображениям для верхних ступеней и РБ могут быть реализованы самые различные варианты расположения БНА в ДУ: в баке, под теплоизоляцией баков и непосредственно на входе в ТНА.

Для кислородно-водородных космических ступеней применяют различные методы термостатирования водорода. Классическим способом является слив "теплого" водорода из нижней части бака и

63

подача в бак из хранилища через верхний коллектор водорода потребной температуры.

Для низкокипящих жидкостей (в первую очередь для жидкого водорода) является актуальной проблема обеспечения нормального функционирования насосов на кипящем во всасывающей магистрали компоненте. Рассмотрим вопросы решения указанной проблемы применительно к системе подачи жидкого водорода.

Образование двухфазного водорода в баке может быть следствием:

1). Процесса глубокого дренирования паров подушки бака перед стартом для обеспечения заданной среднемассовой температуры водорода в ограниченный период времени.

2). Процесса глубокого дренирования паров водорода из подушки бака в полете при регулировании теплового состояния компонента.

3). Больших тепловых потоков к днищу бака. Указанный случай является штатным для ядерных энергосиловых установок.

4). Наличия паровых включений под сетчатым разделителем в баке.

5). Нештатных ситуаций, например, из-за повреждения теплозащиты бака, ошибок в настройке дренажного клапана и т.п.

Образование двухфазного водорода в топливоподающих магистралях может быть следствием:

1). Неполного их захолаживания в целях сокращения потерь компонентов топлива на захолаживание. Следует указать на существование ДУ с запуском двигателя без предварительного захолаживания линии подачи кислорода.

2). Снижения давления и повышения температуры водорода на входе в двигатель, например, в конце работы ДУ.

3). Нештатных ситуаций, вызванных, например, повреждением элементов теплозащиты, нерасчетным нагревом конструкции, ненормальной работой системы наддува и дренажа топливных баков, засорением входных фильтров и т.п.

Большинство из вышеперечисленных причин возникновения двухфазного водорода в баке и магистралях могут быть успешно преодолены в случае установки в баке бустерного водородного агрегата. Покажем это на примере анализа результатов исследований американских специалистов при разработке системы

64

подачи водорода в ядерную энергосиловую установку. Ими был проведен цикл исследовательских работ по выбору наиболее рациональной схемы размещения бакового водородного бустерного агрегата. Исследованные схемы изображены на рис. 1.

65

а) вертикальное расположение оси бустерного насоса в теплоизолированном отсеке днища бака;

b) вертикальное расположение оси бустерного насоса с турбинным приводом, в теплоизолированном коленообразном отсеке;

с) горизонтальное расположение оси бустерного насоса в баке; d) вертикальное расположение оси бустерного насоса с приводом от электромотора и нижним расположением входного патрубка. Рис. 1. Схемы размещения бустерного водородного насоса в баке

Наилучшие результаты показала схема "d" с приводом бустерного насоса от электромотора и с нижним расположением входного патрубка.

Литература

1.Глушко В.П. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник /В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1975.–545с.

2.Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей: учеб.пособие для вузов / В.Е. Алемасов, А.Ф. Другалин, А.П. Тишин. – М:, Машиностроение, 1980.–536с.

3.Бережинский Р.А. Конструкция и проектирование ЖРД: учебное пособие / Р.А. Бережинский, С.Г. Валюхов, В.А. Коробченко. – Воронеж: ВГТУ, 2002.–165с

66

УДК 621.454.2

УСЛОВИЕ БЕСКАВИТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В НАСОСАХ ЖРД

И. В. Вольнов, ВГТУ, студент группы РД-111, тел. +7(915)-858- 4546

Кавитация — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости, в которой возникает. Практика показывает, что областью возможного возникновения кавитации в центробежных насосах является нерабочая (задняя) сторона входной части лопаток рабочего колеса, так как именно в этой области проточного тракта насоса наблюдается самое низкое давление

Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.

Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение рабочих органов насосов, кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы насосов. Основной проблемой в кавитации является эрозия. Быстро меняющиеся высокие давления и тепловые ударные волны разрушают материал деталей, находящихся в кавитационной области. По экспериментальным данным установлено, что максимальный шум и эрозия на деталях наступают одновременно. Процесс эрозии деталей насосов, турбин, клапанов и других механизмов происходит так быстро, что, например, рабочее колесо насоса после нескольких недель работы часто выходит из строя. Насосы кавитируют, когда давления низки или скорости очень велики. В этих условиях происходит отрыв жидкости от рабочего элемента

67

насоса (поршня, лопатки и др.). Отрыв жидкости в основном зависит от величины давления на входе в рабочую камеру насоса. Если давление оказывается недостаточным и не обеспечивает неразрывности потока, то происходит отрыв жидкости и в насосе возникает кавитация

Кавитационные срывы обычно возникают при запуске и переходных режимах двигателя. Различают два режима кавитационных срывов. Первым называется такой режим работы при котором конденсация паров происходит еще в самом насосе и мало влияет на напор, развиваемый насосом. При дальнейшем уменьшении кавитационного запаса интенсивность кавитации возрастает и наступает такой момент, когда парообразование становиться столь большим, что конденсация паров в насосе не успевает происходить. В этот момент напор и подача насосом жидкости резко падают – наступает так называемый второй кавитационный режим или срыв подачи.

Так как кавитационная эрозия развивается постепенно, в течении некоторого времени, то ввиду малой продолжительности работы ЖРД она большей частью не является ограничением для применения в ЖРД насоса, работающего на режиме кавитации.

Рис. 1. Процесс кавитации в воде

Совершенно ясно, однако, что работа насосов ЖРД в условиях кавитации, особенно в условиях приближенных ко второму режиму, совершенно недопустимо. Срыв подачи обязательно приводит к нарушению правильного сгорания топлива в камере и может

68

вызвать взрыв двигателя. Поэтому насос ЖРД должен быть спроектирован так, чтобы возможность интенсивной кавитации в нем была полностью исключена.

Условие бескавитационной работы насоса может быть выражено в виде неравенства:

где j – перегрузка, действующая на жидкость на данном этапе полета РН;

l – высота столба жидкости в магистрали от верхнего уровня в баке компонента до входа в рабочее колесо насоса;

с– абсолютная скорость жидкости на входе в рабочее колесо;

м– гидравлические потери давления в магистрали от бака компонента до входа в рабочее колесо.

п– давление насыщенных паров при рабочей температуре перекачиваемой жидкости.

Отсюда первый вывод: для обеспечения бескавитационной работы насоса необходимо уменьшать гидравлическое сопротивление подводящей магистрали, повышать давление в баках и ограничивать скорость жидкости на входе в насос. Значение давления насыщенных паров п– с ростом температуры возрастает. Инерционный подпор ρlj принимает минимальное значение в начале полета РН. Отсюда второй вывод: кавитационный расчет насоса следует производить для условий начала полета РН, а так же для максимальной в условиях эксплуатации температуры жидкости. На практике на основании стендовых испытаний вновь создаваемых насосов получают так называемые срывные характеристики насоса

Срывные характеристики представляют собой зависимость напора, создаваемого насосом, от статического давления на входе в насос при постоянных значениях угловой скорости вращения рабочего колеса и расхода через насос. Условно считают, что наступлению кавитации Поскольку условия работы насоса с точки зрения кавитации тем

лучше, чем выше давление на входе в насос, предпринимаются следующие меры: 1) уменьшаются потери давления в магистралях;

69