В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные



страница13/14
Дата06.06.2016
Размер2.06 Mb.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

Рис.90

Форкамерный способ воспламенения горючих смесей

Для более плавного запуска с форкамерным устройством больших ка­мер двигателей в атмосферных условиях при включении основного расхода топлива предпочтительнее опережение подачи окислителя.

В современных ЖРД необходимая мощность тепловыделения для га­рантированного воспламенения горючих смесей требует пусковых расходов для форкамерного устройства примерно на два - три порядка меньше, чем рас­ходы основной камеры.

Форкамерные устройства для воспламенения горючих смесей по срав­нению с другими способами имеют то преимущество, что могут быть включе­ны и в период останова двигателя. Это способствует принудительному догора­нию топлива, попадающего в камеру двигателя из заклапанных полостей после закрытия главных топливных клапанов.

Термоакустический способ воспламенения горючих смесей основан на эффекте разогрева газа в тупиковой полости при набегании на ее открытый торец струи холодного газа со сверхзвуковой скоростью, рис.91.



Рис.91

Принципиальная схема термоакустического устройства

для воспламенения горючих смесей:

1 - сверхзвуковое сопло; 2 - корпус; 3 - дренажная полость; 4 - цилиндрическая

тупиковая полость; 5 - реакционная полость; 6 - фланец крепления

Если подавать холодный газ через сопло 1 в открытый торец цилинд­рической тупиковой полости 4, который затем дренируется через полость 3, то во внутренней полости цилиндра образуются колебания газа с частотой, соот­ветствующей собственной акустической частоте цилиндрической тупиковой полости. Усиление амплитуд колебаний давления газа в цилиндре вызывается резонансом вынужденных и собственных колебаний в динамической системе «сопло — полость».

Турбулентное течение газов из сопла 1 со сверхзвуковой скоростью при встрече с неподвижной средой сопровождается широким спектром колеба­ний давления газа в струе. В этом спектре также содержатся колебания с часто­той, равной (или близкой) частоте собственных акустических колебаний ци­линдрической тупиковой полости. Колебания давления газа в набегающей струе являются вынужденными по отношению к собственным колебаниям ци­линдрической тупиковой полости. Настройка динамической системы «сопло -полость», вызывающая резонанс этих колебаний, производится изменением расстояния «х» от сопла до открытого торца тупиковой полости. Таким обра­зом определяется взаимное положение сопла и цилиндра, обеспечивающее сдвиг фаз между вынужденными и собственными колебаниями, равными (или близкими) 180°. При этом в цилиндре тупиковой полости устанавливается мак­симальная амплитуда колебаний давления колебаний газа. В результате усиле­ния амплитуды колебаний газа в тупиковой полости цилиндра в каждой волне сжатия повышается температура газа и с течением времени за счет большой (собственной) частоты циклов колебаний в цилиндрической тупиковой полости температура одной и той же порции газа намного превышает температуру тор­можения газовой струи. В результате происходит разогрев стенок цилиндра и особенно закрытого торца тупиковой полости до температур, которые соответ­ствуют установившемуся тепловому балансу цилиндра. Из опытов получено, что за время, приблизительно равное 50 с, торец тупиковой полости нагревает-

ся до 1ООО К; за время 100 с - до 1500 К и более, вплоть до расплавления мате­риала тупиковой полости (если не будет организован теплоотвод). Использова­ние термоакустического эффекта разогрева тупиковой полости от холодной струи газа состоит в том, что по достижении необходимой температуры нагре­ваемого цилиндра на его поверхность направляются пусковые порции несамо­воспламеняющихся окислителя и горючего, которые воспламеняются на ней, а затем из реакционной полости 5 подаются в виде нагретых продуктов сгорания в основную камеру двигателя. В результате реализуется форкамерное устрой­ство, которое крепится к форсуночной головке двигателя фланцем 6, представ­ляющее собой автономный агрегат системы воспламенения топлив в камерах двигателя и газогенератора ЖРДУ. Работоспособность такого устройства обес­печивается при давлении подачи холодного газа в сверхкритическое сопло 1 в диапазоне (4 — 15) 105 Па при атмосферном противодавлении в дренажной полости 3.

Принципиально цилиндрическая тупиковая полость 4 может быть по­мещена в полость газогенератора или камеры двигателя без реакционной по­лости 5 и может служить нагревным источником воспламенения основного топлива.

Недостатком термоакустического способа воспламенения горючих смесей является низкая мгновенная мощность тепловыделения и низкий терми­ческий коэффициент полезного действия. Усиление мощности тепловыделения возможно путем многокаскадной подачи пускового топлива в реакционной камере форкамерного устройства, или за счет увеличения числа нагреватель­ных цилиндров, помещенных в газогенераторы или камеры двигателя. Низкий термический КПД приводит к значительному расходу холодного газа.

Положительным свойством термоакустического устройства следует считать его полную независимость от характера протекания рабочих процессов в камере двигателя или газогенераторах. Нагревный цилиндр полностью изо­лирован от воздействия на него окружающей среды. Выполненный из жаро­прочных и антикоррозионных материалов, он оказывается защищенным от аг­рессивной среды, нагарообразования, воздействия высоких и низких темпера­тур, давления и влажности окружающей среды и других внешних факторов.

Свойства автономности термоакустического устройства позволяют предполагать его преимущественное применение при низких начальных темпе­ратурах окружающей среды (например в космических условиях) для надежного воспламенения несамовоспламеняющихся топлив и в низкотемпературных га­зогенераторах, использующих жидкий кислород и жидкий водород.



Электрические способы воспламенения горючих смесей предполагают применение высоковольтных искровых свечей и низковольтных свечей по­верхностного нагрева.

Высоковольтная свеча искрового разряда получила широкое распро­странение в двигателях внутреннего сгорания и других атмосферных двига­телях, и ее применение в ЖРД обусловлено естественной исторической преем­ственностью.




Поскольку бортовая система питания электроэнергией располагает низковольтным источником постоянного тока, то для его преобразования в ток высокого напряжения необходимо применение специальных устройств.

Рис.92


Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей

с помощью высоковольтной искровой свечи: 1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания, 4 - низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт,6 - неподвижный контакт; 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразовате­ля напряжения; 11 - резистор; 12 - контакт центрального электрода; 13 - корпус свечи; 14 - кера­мический вкладыш; 15 - керамический изолятор; 16 - центральный электрод свечи; 17 - боковой электрод свечи

На рис.92 показана принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью высоковольтной искровой свечи. В со­став этой системы входят источник питания, преобразователь напряжения и собственно свеча. При включении ключа зажигания 3 источник питания посто­янного тока 2 через замкнутые с помощью пружины 7 подвижный 5 и непод­вижный контакты 6 питает низковольтную обмотку преобразователя напряже­ния 4. Образовавшийся при этом магнитный поток замыкается через высоко­вольтную обмотку 10, которая по сравнению с обмоткой 4 имеет на три поряд­ка больше витков. Образовавшийся от первичной обмотки магнитный поток проходит через якорь 8, как через магнитопровод. В результате якорь притяги­вается к сердечнику 9, расположенному между обмотками, и разрывает контак­ты 5 и 6 питания первичной обмотки. При этом магнитный поток резко падает, а вторичная обмотка 10, испытывая это изменение, генерирует импульс элек­трического тока с напряжением, пропорциональным соотношению обмоточных характеристик катушек 4 и 10. Этот импульс электрического тока с высоковольтной обмотки 10 подается на контакт центрального электрода 12 электрической свечи. Второй полюс обмотки соединен с корпусом свечи 13 (обычно через массу двигателя). Зазор между центральным электродом 16 и боковыми электродами 17 выбирается таким, чтобы был гарантирован искровой разряд (=1-2 мм). Для избежания пробоя между центральным электродом и корпусом свечи вне искрового промежутка центральный электрод защищен керамическим изолятором 15, а корпус — керамическим вкладышем 14.

При исчезновении магнитного потока пружина 7 замыкает контакты 5 я 6, с помощью которых включается питание обмотки 4, и все начинается сна­чала. Для гашения новообразования при срабатывании контактов 5 и 6 уста­новлен конденсатор 1.

Для увеличения частоты автоколебаний сердечник 9, размещенный между обмотками 4 и 10, выполнен из трансформаторных пластин, что спо­собствует в элементах системы преобразователя напряжений существенному снижению остаточного магнетизма. Параметры обмоточных характеристик катушек 4 и 10 подбираются так, что во вторичном контуре питания свечи реа­лизуется напряжение, приблизительно равное 16000 — 20000 В. В каждом цик­ле автоколебаний в искровом промежутке свечи происходит электрический разряд, а за время включения контакта 3 реализуется серия электрических раз­рядов, мгновенная мощность которых способна воспламенить находящиеся в окрестностях электродов свечи компоненты топлива.

Рассмотренная электрическая система высоковольтной свечи имеет два существенных недостатка. Один из них связан с чрезмерно высоким напряже­нием, которое способствует самопроизвольному отеканию заряда в местах кон­такта проводника (на катушке 10 и центрального электрода 12 свечи). Особен­но заметно самопроизвольное отекание электрического заряда в ионизирован­ной и влажной атмосфере, при которой каждый импульс сопровождается ко­ронным разрядом в контактных соединениях, а между электродами свечи мощ­ность разряда настолько падает, что это может приводить к отказу зажигания топливной смеси. В местах касания проводника высокого напряжения массы двигателя возможен пробой его изоляции.

Второй существенный недостаток заключен в самой свече. При влаж­ной атмосфере окружающей среды центральный и боковые электроды оказы­ваются замкнутыми этой средой и искрообразование становится невозможным. При повторном запуске двигателя, использующего углеводородное горючее, в результате нагарообразования на части корпуса и керамическом изоляторе све­чи (обращенных внутрь камеры двигателя или газогенератора) происходит час­тичное или полное шунтирование центрального и бокового электродов свечи по образовавшемуся нагару, которое вызывает ослабление мощности искрового разряда или полный отказ искрообразования. Несмотря на то, что в системе зажигания для частичной компенсации шунтирования нагаром электродов све­чи предусмотрен резистор 11, повторные запуски двигателя, работающего на углеводородных горючих, затруднены (особенно в газогенераторах). Свеча вы­сокого напряжения практически не пригодна для воспламенения топлив с окислителями на основе азотной кислоты, так как попадание окислителя на электроды свечи и особенно на керамический изолятор разрушают последние. Область целесообразного применения высоковольтных свечей вследствие не­достатков, собственно касающихся свечей, определяется их применением лишь для воспламенения кислородно-водородных топлив.

Для устранения недостатков высоковольтной системы зажигания раз­работана и применяется в практике низковольтная свеча поверхностного нагре­ва.





Рис.93

Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью низковольтной свечи поверхностного нагрева:

1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания; 4 -низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт, 6 - неподвижный контакт, 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразовате­ля напряжения; 11 - полупроводник; 12 - конденсатор-накопитель заряда; 13 - газоразрядное уст-ройство; 14 - контакт центрального электрода; 15 - центральный электрод; 16 - керамический изолятор; 17 - корпус свечи; 18 - пластинка двуокиси титана

На рис.93 приведена принципиальная схема системы зажигания го­рючих смесей с помощью свечи поверхностного нагрева. Принцип действия преобразователя напряжения в этой системе остался тем же, что и в рас­смотренной выше. Для этой части системы на рис.93 сохранена та же нумера­ция составляющих эту часть элементов, что и на рис.92 (позиция с 1 по 10).

Существенная разница рассматриваемой системы по отношению к пре­дыдущей начинается с того, что соотношение обмоточных характеристик ка­тушек 4 и 10 преобразователя напряжения выполнено так, что напряжение вы­соковольтной катушки на порядок меньше, чем в предыдущей системе, и со­ставляет примерно 1500 — 3000 В.

В цепи электрического питания свечи установлен полупроводник 11. конденсатор-накопитель заряда 12 (емкостью примерно 10 мкФ) и газо­разрядное устройство 13, которое наполнено парами ртути либо инертным га­зом (неоном или аргоном). Если в предыдущей системе каждый импульс элек­трического тока с катушки 10 поступал на свечу, то в рассматриваемой системе этому препятствует газоразрядное устройство, которое может проводить ток только при достижении определенного напряжения (напряжения зажигания газоразрядника Uзаж)- Выключение газоразрядного устройства происходит при несколько более низком напряжении, чем его зажигание (напряжении потуха­ния газоразрядника Unот). Функционально газоразрядник 13 в цепи питания свечи работает как двухпозиционный ключ, пропуская на центральный элек­трод свечи электрический ток в диапазоне напряжений Uзаж>=U>=Uпот. Напряже­ние, подаваемое в высоковольтную сеть со стороны катушки 10, заведомо меньше напряжения Uзаж и при выключенном газоразряднике через полупро­водник 11 питает конденсатор 12. В каждом цикле автоколебаний преобразова­теля напряжений конденсатор получает электрическую энергию и накапливает в себе электрический потенциал, так как его разряду, с одной стороны, препят­ствует полупроводник, а с друтой, — газоразрядник. Как только напряжение на

обкладках конденсатора становится равным напряжению Uзаж, включается га­зоразрядное устройство и пропускает ток на свечу. С этого момента свечу пи­тает конденсатор, на котором напряжение начинает падать. Как только оно становится равным напряжению Uпот, газоразрядное устройство перестает про­водить ток и конденсатор снова заряжается и весь цикл повторяется сначала. На рис.94 этот процесс показан в виде зависимости напряжения на обкладках конденсатора Uконд времени.

Поскольку конденсатор в цепи активного электрического сопротивле­ния обладает свойством инерционного звена, то нарастание и спад напряжения происходят во времени по экспоненциальной кривой. Из рис. видно, что после некоторого пускового периода в высоковольтной части системы устанавлива­ются собственные автоколебания напряжения. Их частота определяется соот­ношением напряжений срабатывания газоразрядника и емкостью конденсатора. В реально выполненных системах частота автоколебаний напряжения в высо­ковольтном контуре находится в диапазоне 100- 150Гц.

Низковольтная свеча поверхностного нагрева также имеет существен­ное отличие от высоковольтной искровой свечи, рассмотренной выше. В ее корпусе 17 размещен керамический изолятор 16, внутри которого находится центральный электрод 15. Рабочая часть свечи представляет собой коническую пластинку 18 шириной примерно 2—3 мм, через которую центральный элек­трод соединен с корпусом. Эта пластинка выполнена из двуокиси титана (ТiO2).














Рис94

Процесс установления автоколебаний напряжения в высоковольтном контуре свечи поверхностного накаливания



Рис.95

Зависимость электрического сопротивления двуокиси титана от изменения температуры



Двуокись титана обладает тем свойством, что при ее нагреве в восста­новительной среде происходит частичное восстановление Ti02, которое сопро­вождается появлением в материале избытка металлических ионов. Вблизи ио­нов локализуются слабо связанные с ним электроны. При увеличении темпера­туры связь электронов с ионами нарушается. Количество электронов резко воз­растает. Соответственно резко увеличивается проводимость материшга и падает его внутреннее электрическое сопротивление, рис.95. В результате этого дву­окись титана приобретает свойство электрической проводимости, которая воз­растает с увеличением температуры. Падение внутреннего сопротивления ма-

териала приводит к увеличению силы пропускаемого тока, а это в свою очередь

— к последующему возрастанию температуры материала и т. д.

Таким образом, при каждом цикле питания свечи током высокого на-пряжения пластинка с двуокисью титана разогревается и примерно на пятом цикле происходит гарантированное воспламенение горючих смесей вблизи ра­зогретой пластинки.

Свеча поверхностного нагрева стойка по отношению ко всем окисли­телям, но для быстрого нагрева предпочтительно наличие вблизи свечи восста­новительной среды (избытка горючего). Мгновенная мощность тепловыделе­ния свечи составляет примерно 40 тыс. Вт, средняя потребляемая первичной катушкой мощность преобразователя напряжения — примерно 300 Вт, полез­ный коэффициент использования энергии - примерно 0,8.

Недостатком этого способа является сравнительно малая тепловая мощность электрической свечи. Поэтому часто при применении электри­ческого зажигания с помощью свечи воспламеняют топливо при небольшом расходе в форкамере, где создается дежурный факел, от которого уже происхо­дит воспламенение компонентов при основном расходе. Кроме того, для обес­печения электрического зажигания необходим источник электрической энер­гии, который не всегда имеется на летательном аппарате. Электрическое зажи­гание удобно использовать в камерах многоразового действия и многократного запуска.

Для воспламенения некоторых топлив (например, перекиси водорода) возможно использование каталитических поверхностей, способствующих воз­никновению реакции.

9.4. Остановка двигателя

Требования к последовательности остановки ЖРД определяют, назначением. При этом предусматривается либо остановка двигателя полной выработкой компонентов из баков, либо принудительная остановка путем закрытия в заданный момент отсечных клапанов топлива.

Работа двигателя до полной выработки компонентов применяется на ЗУРах, торпедах и в некоторых случаях на начальных ступенях мно­гоступенчатых ракет.

Принудительная остановка двигателя необходима на баллистических или космических ракетах, когда двигатель должен прекратить работу в задан­ный момент, например при достижении ракетой определенной скорости. При этом часто двигатель сначала переводится на режим меньшей тяги, а затем полностью отключается. Для прекращения подачи топлива используются пневмогидравлические или пиротехнические отсечные клапаны. Важным кри­терием качества принудительной остановки двигателя является величина так называемого импульса последействия.


9.5. Система управления направлением вектора тяги

Для создания направляющих моментов и усилий в ЖРД используются следующие мероприятия:



  • подвижные элементы, устанавливаемые в газовом потоке, истекаю­щем из сопла;

  • камеры, устанавливаемые на шарнирном или карданном подвесе;

  • рулевые двигатели;

  • поворотные сопла;

  • впрыск жидкости или вдув газа в расширяющуюся часть сопла;

  • изменение тяги отдельных камер многокамерного двигателя.

Подвижные элементы установленные в газовом потоке, истекающем из сопла



Рис.96

Газовые рули

А) газовые рули - подвижные элементы управления вектором тяги, постоянно находящиеся в газовом потоке, как правило, на срезе сопла, управ­ляемые с помощью рулевых машинок (РМ). Материал газовых рулей пред­ставляет графито-металло-полимерную композицию, получаемую методом по­рошковой металлургии. Применение газовых рулей для изменения направления вектора тяги обеспечивает достаточно широкий диапазон управляющих воз­действий, рис.96.

К недостаткам указанной конструкции необходимо отнести:



  • повышенные значения гидравлических потерь, обусловленные тор­можением газового потока;

  • высокие значения термопрочности материала газовых рулей;

  • работа элементов управления газовыми рулями в условиях высоких

температур.







Рис.97

Дефлекторы

Б) Дефлекторы - представляют собой насадки конической или цилинд­рической формы, устанавливаемые на выходное сечение сопла. Создание управляющего воздействия обеспечивается поворотом насадка, с помощью расположенных под 90 градусов рулевых машин, рис.97.











а)

Рис.98


Триммеры: а) интерцепторы; б) заслонки

б)

В) Триммеры

Представляют собой наиболее сложную систему обеспечения управ­ляющих воздействий, за счет подвижных элементов. Триммеры- щитки, выдви­гаемые в газовый поток на срезе сопла, только в процессе создания управляю-



щих воздействий. Если щитки, выдвигаемые в поток, ориентированы своей плоскостью перпендикулярно истекающей струе, то они называются интерцеп-торами, рис.98 а, а если параллельно (вдоль потока) - заслонками, рис.98 б.

Камеры, устанавливаемые на шарнирном или карданном подвесе

А) шарнирный подвес позволяет отклонять камеру в какой либо одной плоскости. Если двигательная установка состоит из четырех, установленных на шарнирном подвесе камер, то их подвесы могут быть закреплены на общей раме, при этом оси подвесов должны пересекаться в ее центре, рис.99. Такая установка камер позволяет создавать силы и моменты для управления раке­той по углам тангажа, рыскания и крена; например, для управления по крену все четыре камеры должны быть повернуты в одну сторону по окружности.



Вид А



Рис.99

Схема расположения камер четырехкамерного двигателя с их установкой на шарнирном подвесе

Б) карданный подвес является более эффективным, но и более слож­ным. Его применение позволяет отклонять камеру одновременно в двух взаим­но перпендикулярных плоскостях, при этом продольная ось камеры может за­нять любое положение в некотором конусе, рис.100. При карданном подвесе одной камеры достаточно, чтобы управлять по углам тангажа и рыскания. Управление по крену обеспечивается отдельной системой. Если на двигатель­ной установке имеются две камеры, установленные на карданном подвесе, то они обеспечивают управление ракетой по углам рыскания, тангажа и крена.



Каталог: book
book -> Психология смысла природа, строение и динамика смысловой реальности
book -> А. А. Леонтьев Язык, речь, речевая деятельность просвещение 1969
book -> Издательство московского университета
book -> Основы парящего полета
book -> Авиакомпания эмирейтс
book -> Военная психология: методология, теория, практика Учебно-методическое пособие
book -> -
book -> Эргономичные алгоритмы На ошибках мы горим! Мне сказал Алеха. Непонятный алгоритм Это очень плохо
book -> Краткий обзор развития автожира 5 Глава Теория ротора 6


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница