Системы имитации высотных условий

При наземных испытаниях двигателей, предназначенных для использования в верхних слоях атмосферы, определить их характеристики (тягу, задержку воспламенения топлива в камере, тепловой режим и устойчивость процесса горения в камере сгорания, надежность и ресурс работы) можно, понизив противодавление в выходном сечении сопла до получения безотрывного истечения.

Режим работы сопла определяется соотношением давлений на срезе сопла p _а и окружающей среды p_h. Когда p _а < p_h, то сопло работает в режиме перерасширения и процесс истечения газов сопровождается системой криволинейных скачков (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Истечение газов из сопла на режимах перерасширения:

а – при р _а < р _h; б – при р _а << р _h; в – при р _а < р _отр

При большей разнице давлений p _аи p_h система скачков входит внутрь сопла, и истечение газов происходит с отрывом потока от стенок сопла. Давление отрыва потока газов от стенок сопла составляет p _отр 20…40 кПа. Оно в большой степени зависит от давления в камере сгорания. Отрыв потока газа от стенок сопла сопровождается перегревом конструкции за счет увеличения температуры заторможенного потока газа за системой скачков уплотнения и разрежением газов у стенки. В результате может произойти нарушение режима охлаждения или потеря устойчивости сопла.

Для исключения указанных явлений при испытаниях высотных двигателей без имитирующей системы могут применяться специальные устройства, включающие:

- коллектор для подачи воды через струйные форсунки в зону отрыва потока газа;

- бандажи, устанавливаемые на наружной поверхности сопла для предотвращения складывания сопла под воздействием атмосферного наружного давления, или вакуумный кожух вокруг сопла.

При отрывном истечении газов из сопла оценить энергетические показатели камеры с высокой точностью не удается, так как трудно определить точное расположение скачка уплотнения, следовательно, и фактическая площадь сечения сопла, создающего тягу F _отр, может быть определена с большим приближением.

Понижение противодавления на выходе из сопла, обеспечивающее безотрывное истечение газа, можно получить тремя способами, применяя на стенде: барокамеры с откачивающими средствами, эжекторные установки и газодинамические трубы (сверхзвуковые выхлопные диффузоры). Они могут применяться по отдельности или в различных комбинациях (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Основные системы испытательного стенда для имитации

высотных условий и охлаждения систем (газоотражателя)

Простейшим устройством является предварительно вакуумированная барокамера, в которую натекают газы из сопла двигателя, повышая давление в ней. В таком устройстве (рис 12.3,а) масса расходуемого топлива ограничена, которая может быть определена из уравнения Клапейрона- Менделеева

(12.1)

где р _б – допустимое давление в барокамере объема V _б при температуре газов Т _б. Поэтому такие устройства могут быть использованы для испытаний двигателя при воспламенении, других переходных режимах или ЖРД малой тяги (ЖРДМТ). Предварительно вакуумированный объем барокамеры может быть увеличен с помощью дополнительно подключаемой емкости (рис. 12.3,б).

Рис. 12.3. Схемы стенда для высотных испытаний двигателей:

а - барокамера; б - барокамера с дополнительной емкостью;

1 – барокамера; 2 – испытуемый двигатель; 3 – патрубок;

4 – отбрасываемая заглушка; 5 – дополнительная вакуумная емкость

Ихможно разделить на две группы:

- системы с барокамерой и откачивающими средствами, содержащими выхлопные диффузоры и эжекторные установки, которые позволяют получить разрежение на срезе сопла двигателя и вокруг двигателя на уровне 150…3000 Па;

- системы с барокамерой и откачивающими средствами на основе конденсации выхлопных газов, где наряду с выхлопными диффузорами и эжекторными установками применяются устройства для конденсации газов на криопанелях, охлаждаемых до температуры 77 К (удаление водяного пара и двуокиси углерода) и 20 К (удаление кислорода и азота), которые позволяют получить разрежение на срезе сопла двигателя и вокруг двигателя на уровне 10^-2 Па.

К первой группе относятся системы, представленные на рис.12.2 и 12.4.

В частности, на одном из стендов США при испытании второй ступени ракеты «Сатурн-5», в состав двигательной установки которой входило пять двигателей J-2 с суммарной тягой 4420 кН, использовалась система имитации давления, соответствующего высоте 18 км. Установка состояла из сверхзвукового диффузора (длина 22,8 м и диаметр выходного сечения – 4,2 м) и встроенного кольцевого парогазового эжектора. Эжектор включался только перед запуском и остановом двигателя. Расход парогаза через эжекторное устройство составлял 407 кг/c.

На стенде фирмы Мицубиси (Япония) при испытании двигателя Le-5 с тягой 100 кН для создания высотных условий на срезе сопла использовалась система откачки с барокамерой, выхлопным диффузором и двухступенчатой эжекторной установкой. Схема указанной установки для испытания двигателя Le-5 показана на рис.12.4.

Ко второй группе систем имитации высотных (космических) условий можно отнести систему конденсационного типа, в которой могут применяться откачные и теплообменные устройства с уровнем охлаждения до температуры 77К и 20К для вымораживания (удаления) газов. На рис.12.5 показана комбинированная схема системы, применяемая в центре им. Арнольда (США) для имитации высотных условий. В данной схеме используется комбинация систем: барокамера с откачивающими устройствами и теплообменные устройства с криогенной откачкой газов.

Рис. 12.4. Схема высотного стенда для испытаний ДУ с двухступенчатой эжекторной системой откачки газов

Рис.12.5. Схема системы имитации высотных условий с конденсационными устройствами в центре им. Арнольда

Указанные на рис. 12.2 и 12.4 системы имитации высотных условий отличаются тем, что в них применяются громоздкие и энергоемкие оборудования, например, выхлопной тракт стенда для испытаний двигателя Le-5 имеет длину более 100 м и баллонные батареи с регулирующей арматурой для обеспечения расхода парогаза 270 кг/с в течение 600 с.

Выхлопной диффузор широко применялся при испытаниях на стенде отечественных высотных двигателей (11Д49, 11Д56, 11Д57, КВД1 и 11Д58М). Отличительной особенностью применяемых диффузоров, как будет показано ниже, является имитация высотных условий только на маршевом режиме после запуска диффузора.

Выхлопной диффузор представляет собой обратное сопло Лаваля, в котором происходит восстановление давления посредством системы последовательных ударных волн и постепенного замедления скорости потока до звуковой. Изменение параметров потока в тракте диффузора показано на рис. 12.6, где цифрами обозначены характерные сечения.

Рис. 12.6. Изменение параметров газа в выхлопном диффузоре

Простейшим выхлопным диффузором может быть прямая цилиндрическая труба, присоединенная либо к выходному сечению сопла двигателя, либо к камере. Зависимость геометрических характеристик диффузора типа цилиндрической трубы от параметров испытываемого двигателя, полученная экспериментально, представлена на рис. 12.7.

Диаметр диффузора d _д выбирается в зависимости от диаметра критического сечения камеры d _кр, а длина диффузора l – из условия

Рис. 12.7. Зависимость геометрических характеристик диффузора

Более эффективным является диффузор с переменной площадью поперечного сечения (рис. 12.8). Он состоит из сужающегося входного участка 1, цилиндрической горловины 2 и расширяющегося выходного участка 3 (индекс “г” соответствует параметрам горловины). Для обеспечения измерения тяги двигателя с приемлемой точностью обычно сопло двигателя устанавливается в сужающейся части входного участка диффузора с небольшим кольцевым зазором (20…30 мм), через который обеспечивается подсос воздуха в полость диффузора, d _вх = d _a + (40…60 мм).

Рис. 12.8. Схема выхлопного диффузора с переменной площадью поперечного сечения:

1 – сужающийся входной участок; 2 – цилиндрическая горловина; 3 – расширяющийся выходной участок; 4 – барокамера; 5 – сопло двигателя

Диффузоры со второй горловиной (первой горловиной является критическое сечение сопла двигателя) могут иметь более низкое, чем у цилиндрических труб, рабочее полное давление на входе в диффузор, значение которого можно приблизительно определить, предположив, что прямой скачок уплотнения расположен в критическом сечении (горле) диффузора. При этом полное давление перед скачком вычисляется по статическому давлению за ним, принимаемому равным атмосферному. Исходя из этого условия определяется максимальная геометрическая степень сужения диффузора Анализ конструкции диффузора со второй горловиной показал, что его характеристики в значительной степени зависят от конструкции входной части и улучшаются, если , (см. рис. 12.8).

Полное давление на входе в диффузор, необходимое для его запуска р _кз, можно определить исходя из того, что при запуске прямой скачок уплотнения должен находиться в выходном сечении сопла.

В процессе запуска происходит непрерывное изменение расхода газа через камеру сгорания, и скорость газа в различных сечениях камеры и диффузора можно определить из уравнения расхода с использованием газодинамических функций (см. расчетную схему диффузора на рис. 12.6):

(12.2)

где – давление и температура заторможенного потока в i -м сечении; F_i – площадь i -го поперечного сечения диффузора; – приведенная скорость; – скорость газа; a _кр – скорость газа в критическом сечении сверхзвукового сопла; – газодинамическая функция, характеризующая безразмерную плотность тока; – массовый расход газа, индекс “6” относится к выходному сечению диффузора.

Величина и m определяются известными соотношениями газовой динамики:

;

,

где n – показатель политропы; R – газовая постоянная; g – ускорение свободного падения.

Для идеального газа имеем ; ; и уравнение (12.2) примет вид

. (12.3)

Статическое давление в i -м сечении определится выражением:

(12.4)

где .

Потери полного давления в тракте диффузора, включая сопло двигателя, определяются выражением:

;

, (12.6)

где – потери давления в прямом скачке уплотнения; – давление окружающей среды; – давление заторможенного потока в нулевом сечении (давление в камере).

В настоящее время распространен метод расчета, в котором все потери (давления и скорости) сосредоточены в одном прямом скачке уплотнения, движущемся по соплу от сечения 0-0 при увеличении давления в камере сгорания, тогда в произвольном i -м сечении (в прямом скачке уплотнения) имеем .

Тогда получим выражение:

(12.7)

Скорости потока от сечения 0-0 до прямого скачка уплотнения (до сечения i - i) определяются уравнением

. (12.8)

Давление, соответствующее моменту запуска диффузора, определится из выражения (12.6):

(12.9)

Чем больше поджатие диффузора, тем меньшее давление в камере требуется для запуска диффузора. Поэтому площадь горла F _г стремятся делать меньше, но есть предельная величина, исключающая запирание диффузора. Увеличение длины рабочей части и длины сходящейся части диффузора приводит к увеличению потерь и, как следствие, может привести к ухудшению запуска.

С учетом поджатия горла диффузора давление запуска будет меньше и определится выражением

, (12.10)

где ; – коэффициент, характеризующий потери давления при запуске с учетом поджатия горла диффузора, который определяется по эмпирической формуле

, (12.11)

где .

Рассмотрение зависимостей (12.6)…(12.10) показывает, что существенно улучшить характеристики запуска диффузора можно введением в сечение стыка “сопло двигателя – сужающийся входной участок диффузора” центрального тела, которое подвергается воздействию высокотемпературного потока газа и должно иметь надежную систему крепления и охлаждения.