Спосіб визначення тиску в камері згоряння рідинних ракетних двигунів малої тяги з високою температурою продуктів згоряння палива

1. Спосіб визначення тиску в камері згоряння рідинних ракетних двигунів малої тяги з високою температурою продуктів згоряння палива, наприклад несиметричного диметилгідразину і чотириокису азоту, заснований на подачі продуктів згоряння в приймальну порожнину датчика тиску з наступною реєстрацією показань датчика, який відрізняється тим, що подачу продуктів згоряння в приймальну порожнину датчика тиску здійснюють через трубопровід із закритичної частини сопла з їх добором по нормалі до внутрішньої поверхні сопла в зоні зі статичною температурою продуктів згоряння, яка не перевищує припустиму температуру газів на вході в датчик, при цьому розташування зони визначають по діаметру закритичної частини сопла відповідно рівнянню: 2 3 Для визначення тиску в камері згоряння рідинних ракетних двигунів великої тяги (РРДВТ) подачу продуктів згоряння в приймальну порожнину датчика тиску здійснюють безпосередньо з камери згоряння (див., наприклад, книгу М.В.Добровольский "Жидкостные ракетные двигатели", М. "Машиностроение", 1968, стор.255, мал.6.27 поз.4 та стор.342, мал.9.5, поз.11). У книзі М.Баррер та ін. "Ракетные двигатели", М. ГНТИ Оборонгиз", 1962 сказано, що в РРДМТ (стор.528, 529), як і в РРДВТ подачу продуктів згоряння палива в датчик тиску проводять безпосередньо з камери згоряння (стор.532, 533, Фіг.8.10 параметр Рк) - прототип. На стор.539 книзі М.Баррера та ін. сказано, що в цьому випадку тиск в камері згоряння виміряється з великою погрішністю внаслідок зміни характеристики мембрани в датчику тиску за рахунок значних коливань температури продуктів згоряння, що досягається 3000К. Тому (стор.540-544) при стендових випробуваннях застосовують датчики тиску, охолоджувані водою. Для штатних умов експлуатації РРДМТ застосування охолоджуваних датчиків виключено, тому що значно ускладнює конструкцію рушійних установок. Крім того, при подачі продуктів згоряння в датчик тиску безпосередньо з камери згоряння знижується надійність роботи РРДМТ. Так, у книзі В.А. Володин, Ю.Н.Ткаченко "Конструкция и проектирование ракетных двигателей", М. "Машиностроение", 1984, стор.227 сказано, що з'єднання датчиків і трубопроводів з камерою згоряння може приводити до загоряння вимірювального датчика або руйнуванню трубопроводу. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення надійності роботи РРДМТ за рахунок виключення можливості теплового руйнування датчика тиску і трубопроводу до нього шляхом подачі високотемпературних продуктів згоряння палива в приймальну порожнину датчика через трубопровід із закритичної частини сопла з їхнім добором по нормалі до його внутрішньої поверхні в зоні, де статична температура продуктів згоряння не перевищує припустиму на вході в датчик, визначення розташування зони, статичної температури, статичного тиску і тиску продуктів згоряння в камері по рівнянням газової динаміки, а також екранування трубопроводу від теплового випромінювання камери згоряння і сопла й охолодження тепловим випромінювачем на ділянці добору продуктів згоряння з закритичної частини сопла. Таким чином, пропоноване технічне рішення відрізняється від найближчого аналога новими суттєвими відмітними ознаками: - Подачу продуктів згоряння палива в приймальну порожнину датчика тиску здійснюють через трубопровід із закритичної частини сопла , по нормалі до його внутрішньої поверхні в зоні, де статична температура продуктів згоряння не перевищує припустиму на вході в датчик, а діаметр закритичної частини сопла в місці добору продуктів згоряння і величину тиску в камері згоряння визначають по газодинамічним рівнянням їхньої залежності від показника ізоентропи течії продуктів згоряння і відносини статичної температури до температури 48453 4 загальмованих продуктів згоряння, що забезпечує зниження температури продуктів згоряння на вході в приймальну порожнину датчика не менш ніж у 5 разів. Так, при температурі загальмованих продуктів згоряння в камері згоряння 3000К при практично нульовій швидкості їхнього потоку, статична температура потоку продуктів згоряння, які протікають через сопло, в місці їхнього добору до датчика тиску складе 600К або 327°С, що значно нижче температури плавлення більшості металів, з яких виготовляються мембрани датчиків тиску. - Трубопровід подачі продуктів згоряння з закритичної частини сопла в приймальну порожнину датчика тиску екранують від теплового випромінювання камери згоряння і сопла і охолоджують випромінювачем на ділянці добору продуктів згоряння. Необхідність екранування трубопроводу від теплового випромінювання камери згоряння і сопла обумовлене високою температурою камери згоряння РРДМТ, яка може досягати 1500К (див., наприклад, книгу під загальною редакцією Г.Г.Гахуна "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", М. "Машиностроение", 1989, стор.154.). Тому екранування трубопроводу практично виключає підігрів у ньому продуктів згоряння. Екранування трубопроводу від теплового випромінювання камери згоряння і сопла з одночасним охолодженням трубопроводу випромінювачем, наприклад, пластинчастого типу, дозволяє понизити температуру продуктів згоряння на вході в датчик тиску. Таким чином, сполучення відомої суттєвої ознаки (подача продуктів згоряння в приймальну порожнину датчика тиску) і нових суттєвих відмітних ознак (подача продуктів згоряння через трубопровід із закритичної частини сопла з їхнім добором по нормалі до внутрішньої поверхні сопла в зоні зі статичною температурою продуктів згоряння, яка не перевищує припустиму на вході в датчик і визначення діаметра закритичної частини сопла в місці добору продуктів згоряння і величини тиску в камері згоряння по газодинамічним рівнянням їхньої залежності від показника ізоентропи течії продуктів згоряння і відносини статичної температури до температури загальмованих продуктів згоряння) забезпечує подачу продуктів згоряння в приймальну порожнину датчика тиску з температурою, яка не перевищує припустиму, що підвищує надійність роботи РРДМТ за рахунок виключення теплового руйнування датчика тиску і трубопроводу до нього. Сутність пропонованого способу визначення тиску в камері згоряння РРДМТ полягає в подачі продуктів згоряння палива в приймальну порожнину датчика тиску при їхній статичній температурі. Відповідно до рівняння Бернуллі в потоці рідини або газу, що рухаються, статичний тиск менше загальмованого тиску за рахунок перетворення частини його енергії в кінетичну енергію (див., наприклад, книгу X.Кухлинг "Справочник по физике", М. "Мир", 1962, стор.124). При відсутності теплообміну потоку газу з навколишнім середовищем, тобто при ізоентропій 5 ному або адіабатичному процесі, при зменшенні статичного тиску зменшується і статична температура газу (див., наприклад, той же довідник, стор.182, формула Т 16.18). T1 T2 P1 P2 K 1 K де Т1 і Т2 - відповідно температура загальмованого газу і статична температура газу, що рухається; Р1 і Р2 - відповідно тиск загальмованого газу і статичний тиск в газі, що рухається; К - показник ізоентропи або адіабати течії газу. Отже, чим більше швидкість газу, тим менше його статична температура. Для пояснення сутності пропонованого способу додається схемне креслення РРДМТ із датчиком тиску. Для визначення тиску в камері згоряння 1 подачу продуктів згоряння палива в приймальну порожнину датчика тиску 2 проводять через трубопровід 3. Один кінець трубопроводу 3 з'єднують із приймальною порожниною датчика тиску 2, інший з отвором А в стінці закритичної частини сопла 4. Для досягнення статичного тиску і статичної температури продуктів згоряння палива отвір А добору цих продуктів виконують по нормалі до внутрішнього контуру закритичної частини сопла 4. Для зменшення статичної температури продуктів згоряння палива отвір А необхідно виконати якнайближче до вихідної крайки Б сопла 4, де швидкість цих продуктів досягає максимального значення, а статичний тиск мінімального. З метою зменшення теплового випромінювання камери згоряння 1 і сопла 4 та виключення підігріву продуктів згоряння в трубопроводі 3, останній екранують від цього випромінювання відбивним екраном 5. Для підвищення відбивної здатності екран 5 виконують з нержавіючої сталі типу Х18Н10Т та полірують з боку, що прилягає до камери згоряння 1 і сопла 4. Крім того, забезпечують охолодження продуктів згоряння в трубопроводі 3 випромінювачем 6, на ділянці їхнього добору з закритичної частини сопла 4. Випромінювач 6 виконують з металу високої теплопровідності, наприклад з міді, і закріплюють на трубопроводі 3, наприклад методом зварювання. При реалізації даного способу визначення тиску в камері згоряння РРДМТ спочатку визначають статичну температуру продуктів згоряння палива в закритичній частині сопла, яка не повинна перевищувати максимально припустиму температуру газів на вході в підібраний датчик тиску. Для обраної статичної температури визначають відносну температуру по її відношенню до розрахункової або експериментально визначеній температурі загальмованих продуктів згоряння палива в камері згоряння: T To де - відносна температура продуктів згоряння палива; 48453 6 Т - статична температура продуктів згоряння палива в закритичній частині сопла; То- температура загальмованих продуктів згоряння палива в камері згоряння. Далі по рівнянням газової динаміки для відносної температури продуктів згоряння палива визначають діаметр перерізу в закритичній частині сопла, в якому статична температура відповідає раніше обраному значенню, і тиск загальмованих продуктів згоряння палива в камері згоряння. Найбільше просто ці рівняння викладені в книзі Ю.Д. Иров та ін. "Газодинамические функции", М., "МашиностT P роение", 1965, стор.34 - функції і , To Po стор.35 - функція d . dкр Діаметр перерізу в закритичній частині сопла добору продуктів згоряння до датчика тиску для обраних статичної і відносної температур визначають відповідно рівнянню d d 1 кр 1 К 1 Т 2 ТО К 1 1 Т К 1 ТО К 1 а величину тиску загальмованих продуктів згоряння в камері згоряння - відповідно рівнянню Рo Т Р o Т К К 1 де К - показник ізоентропи течії продуктів згоряння від камери до виходу із сопла; dкр і d. - відповідно діаметр критичного перерізу сопла і діаметр перерізу добору продуктів згоряння до датчика тиску; То і Т - відповідно температура загальмованих продуктів згоряння в камері згоряння і статична температура в перерізі їхнього добору; Ро і Р - відповідно шуканий тиск загальмованих продуктів згоряння в камері згоряння і заміряний датчиком статичний тиск в перерізі їхнього добору. Ці рівняння вирішуються для експериментально визначеного або розрахункового значення показника ізоентропи течії продуктів палива в камері згоряння і соплі. Розрахункові значення показника ізоентропи течії продуктів згоряння різних палив приведені, наприклад, у книзі В.А.Махин "Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектные расчеты камер", М. "Дом техники", 1961, стор.123. Так, відповідно до цієї книги для палива АК-27 і НДМГ К=1,2. Розрахунки, проведені по вищенаведеним рівнянням газової динаміки для палива АК-27 і НДМГ і К=1,2 показали, що при зменшенні температури загальмованих продуктів згоряння, рівної відповідно до книги В.А.Махина 3125К, в 5 разів статична температура складе~ 350°С, а при її зменшенні в 4 рази ~510°С. Ці температури цілком припустимі для металевих діафрагм датчиків тиску. При таких температурах діаметр добору продуктів згоряння палива 7 48453 в закритичній частині сопла не буде перевищувати відповідно 25 і 14 діаметрів його критичного перерізу, що також цілком прийнятно для надзвукових РРДМТ із високим ступенем розширення газу в них. Фактична температура продуктів згоряння палива на вході в датчик тиску буде нижче за ра Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 8 хунок добору від них частини теплової енергії тепловипромінювачем. Практичне застосування пропонованого способу технічних проблем не викликає і дозволяє підвищити надійність роботи РРДМТ за рахунок виключення можливості теплового руйнування датчика тиску і трубопроводу до нього. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601