Потери давления жидкости (газа) в топливных магистралях

Потери давления жидкости (газа) в топливных магистралях определяются для конкретной системы подачи и состоят из потери давления на создание скорости Dp_c, на местных сопротивлениях Dp_м и на трение в трубопроводах Dp_тр:

Dp =Dp_c +Dp_м +Dp_тр. (15.1)

Потери давления на создание скорости определяются формулой

, (15.2)

где r - плотность компонента компонента; w - скорость движения топлива.

Потери давления на трение между движущейся жидкостью и стенками трубопровода определяются по формуле

(15.3)

где l - коэффициент гидравлического сопротивления трения; l - длина трубопровода, м; d - диаметр трубопровода, м; r, w - плотность и скорость жидкости.

Рис. 15.1. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления трения от числа Рейнольдса при различной шероховатости труб

Величина гидросопротивлений на трение зависит от величины разброса диаметра труб от номинального значения. Последнее может проводить к значительным отклонениям расчетной величины потерь от действительной (до 18 %).

Доля потерь на трение о стенки трубопровода в системах питания зависят от относительной длины l/d_г и составляет

- по расходным магистралям СП ЖРД от бака до входа в насосы – 5…15% от величины суммарных потерь;

- по линиям газогенераторов – до 95 %.

Потери давления на преодоление местных сопротивлений пропорциональны скоростному напору. Потери давления в топливных ситемах ракет из-за местных потерь происходят в трубопроводах на сварных швах, сужениях и расширениях, в узалах и арматуре СП, на заборных и внутрибаковых устройствах ТБ.

Суммарные потери давления из-за местных сопротивлений определяются оп формуле

где Dp_зу - потери давления на заборном устройстве; Dp_св - потери давления на сварных швах трубопроводов; Dp_сильф - потери давления на гибких элементах (сильфонах) трубопроводов; Dp_пов - потери давления при повороте потока; Dp_разв - потери давления на разветвление потока; Dp_суж, Dp_расш - потери давления при сужении и расширении потока соответственно; Dp_авт - потери давления на элементах автоматики.

При летно-конструкторских испытаниях в расходных магистралях (трубопроводах) устанавливаются датчики расхода для измерения расхода компонентов топлива на двигатель. Обычно в качестве датчика расхода используются турбинные расходомеры («вертушки»), которые измеряют массовый или объемный расход компонентов топлива. Коэффициент гидравлического сопротивления объемных датчиков расхода находится в пределах x_авт=0,8…1,1, а массовых x_авт 1,0...1,6.

Для определения выделения газа из компонента топлива в трубопроводах устанавливаются датчики сплошности. Коэффициент гидравлического сопротивления датчиков сплошности x_авт=0,7…1,2. При наличии в системах питания мембранных узлов, которые устанавливаются обычно на входе в двигатель, на них также имеются потери давления Коэффициент гидравлического сопротивления раскрытых мембранных узлов x_авт=0,5…1,5. Необходимо отметить, что большие значения коэффициента гидравлического сопротивления относятся к трубопроводам с меньшими диаметрами.

Для кольцевых заборных устройств имеет место перетекание жидкости из днища бака через сливные отверстия в желоб и слияние двух потоков в желобе на входе в расходную магистраль Потери давления на кольцевых заборных устройствах состоят из потерь давления на желобе и потерь давления на слияние потоков на входе в расходный трубопровод. Потери давления на слияние потоков состоят в основном из потерь давления на турбулентное перемешивание двух потоков и потерь на поворот потока при входе его в расходный трубопровод.

Экспериментальные исследования показывают, что коэффициент местных потерь на заборных устройствах топливных баков зависит от конструкции заборного устройства, формы, профиля проточной части и т. п. Для существующих типов заборных устройств топливных баков ракет коэффициент местных потерь от 0,05 до 3. Для центрального заборного устройства со скругленным входом и плавным изменением площади проходного сечения проточной части коэффициент x_зу=0,05…0,2.

Рис. 15.2. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления

гофрированных трубопроводов от числа Рейнольдса

Рис. 15.3. Зависимость коэффициента гидравлического сопротивления на

повороте от относительного радиуса для различных значений угла поворота

Для центрального заборного устройства с острой входной кромкой коэффициент x_зу=0,5…2. Для кольцевого заборного устройства коэффициент x_зу=1,5…3.

Местные потери давления на сильфонах зависят от относительной шероховатости, внутренней поверхности гибкого металлического элемента (рукава). Для чисел Re³1800 и шага гофров 1<t<5мм при винтовой навивке коэффициент сопротивления сильфона вычисляется по формуле

, (15.5)

где t - шаг гофров, мм; h - высота гофров, мм; d – внутренний диаметр гибкого рукава (сильфона), мм.

Коэффициент сопротивления в рукавах с кольцевыми гофрами на 20 25% выше, чем в рукавах с винтовой навивкой гофра.

На рис 15.2 приведена зависимость коэффициента гидравлического сопротивления гофрированных трубопроводов от числа Рейнольдса. Как и для гладких трубопроводов, наблюдаются три области течения:: ламинарная lg(Re)≤З,17; переходная 3,17≤lg(Re)≤З,4 и турбулентная lg(Re)>4. Из рисунка видно, что в области турбулентного течения величина l_т практически не зависит от числа Рейнольдса и в основном определяется значением относительной волнистости a.

Коэффициент местного сопротивления на повороте потока определяется по формуле:

, (15.6)

где a - угол поворота потока, градус;l - коэффициент сопротивления трения, R - радиус закругления трубопровода до его оси, мм, d - диаметр трубопровода, мм

При больших числах Re коэффициент x₉₀ определяется по формуле

. (15.7)

Для сегментного колена коэффициент местного сопротивления, можно рассчитать по формуле

. (15.8)

Потери давления на расширение зависят от его формы: внезапное или плавное расширение. Коэффициент местного сопротивления при внезапном расширении рассчитывается по формуле:

, (15.9)

где F₁, F₂ - площади проходных сечений до расширения (меньшая) и за расширением (большая) соответственно

При плавном расширении или сужении магистрали пользуются следующей формулой

, (15.10)

где K_см - коэффициент смягчения, учитывающий уменьшение коэффициента x_р по сравнению с коэффициентом внезапного расширения (сужения) x_вн..

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беляев Н.М. Расчет пневмогидравлических систем ракет – М.: Машиностроение, 1983 – 219с.

2. Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов – М.: Машиностроение, 1979 – 232 с.

3. Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок – М.: Машиностроение, 1988. – 352 с.

4. Колесников К.С., Рыбак С.А., Самойлов Е.А. Динамика топливных систем ЖРД – М.: Машиностроение, 1975 – 172 с.

5. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями. Под ред. Академика В.Н. Челомея – М.: Машиностроение, 1978 – 240 с.

6. Полухин Д.А., Орещенко В.М., Морозов В.А. Отработка пневмогидросистем двигательных установок ракет-носителей и космических аппаратов с ЖРД – М.: Машиностроение, 1987. – 248 с.

7. Отчет о НИР «Методика опорожнения топливных емкостей в условиях пониженной гравитации при малых уровнях их заполнения» - Днепропетровск, 2002 – 169 с.