Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Опираючись на Декларацію про державний суверенітет та Конституцію України, назвіть характеризуючи ознаки державного суверенітету України....полностью>>
'Документ'
Целью курса является формирование у студентов знаний, умений и навыков работы в русле адекватных представлений об основных этапах конкретного социоло...полностью>>
'Документ'
Цели и задачи: обобщить и систематизировать знания детей по пройденному материалу, продолжить работу, над грамотностью детей; развивать речь, мышлени...полностью>>
'Рабочая программа'
Рабочая программа составлена доцентом В.Н. Бартеневым на основании Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального...полностью>>

Модернизация испытательного огневого стенда для исследования рабочих процессов в жидкостных ракетных двигателях малых тяг на экологически чистых компонентах топлива

Главная > Документ
Сохрани ссылку в одной из сетей:

УДК. 621.45.018.2

УДК. 621.454.2

И. Н. Боровик, А. Г. Воробьев, Н. К. Гуркин, И. С. Казеннов,

М. М. Лизуневич, С. А. Сокол, А. Н. Хохлов

Модернизация испытательного огневого стенда для исследования рабочих процессов в жидкостных ракетных двигателях малых тяг на экологически чистых компонентах топлива

Московский авиационный институт (МАИ)

Испытательный стенд на кафедре №202 МАИ «Ракетные двигатели» был разработан и создан в 60-х годах прошлого века. Назначение стенда – научно-исследовательские работы.

Первые компоненты, на которых он работал, были газообразный кислород и керосин. В данный момент, на территории Москвы, испытание на токсичных компонентах запрещено. Кислород и керосин являются экологически чистыми, в их продуктах сгорания нет токсичных веществ. В 70-х годах исследовался рабочий процесс двигателей при добавлении в горючее высокодисперсного алюминия. К середине 80-х из-за прекращения финансирования стенд практически прекратил свою работу, и до конца 80-х годов испытывались только системы зажигания двигателей. С 90-х годов стенд фактически не функционировал.

В конце 90-х годов на кафедре «Ракетные двигатели» №202 были разработаны несколько типов ЖРД МТ, работающих как на токсичных, так и на экологически чистых компонентах ракетного топлива (КРТ). Такие, как: ДМТ МАИ-202, работающий на керосине и кислороде (г), тяга 200Н; ДМТ МАИ-200-1П, 200-7П, работающий на высококонцентрированной перекиси водорода (ВПВ 98%) и керосине; ДМТ МАИ-200, работающий на АТ+НДМГ (АТ+ММГ). Из-за отсутствия работоспособного стенда, испытания не могли проводиться на кафедре. Для экспериментов использовалась испытательная база ФКП «НИЦ РКП» (до 2008 НИИХИММАШ, г. Пересвет). Привлечение сторонней организации делало даже небольшие эксперименты дорогостоящими и неоперативными. Помимо этого, к работе не могли привлекаться студенты, отсутствовала связь с учебным процессом на факультете.

В конце 2008 года по инициативе МАИ совместно с ФКП «НИЦ РКП» начались работы по модернизации испытательного стенда. Было составлено техническое задание на модернизацию стенда:

        1. разработка ПГС стенда на четыре автономные магистрали подачи экологически чистых компонентов:

  • окислители:

    • высококонцентрированная перекись водорода (ВПВ, 96%), с расходом до 170 г/с,

    • кислород (газообразный), с расходом до 45 г/с,

    • керосин, с расходом до 20 г/с,

    • метан (газообразный), с расходом до 15 г/с.

  • горючие:

  • керосин, с расходом до 20 г/с,

  • метан (газообразный), с расходом до 15 г/с.

        1. разработка системы управления стендом,

        2. разработка системы измерений расходов, давлений, температур и тяги двигателей с требуемой частотой опроса датчиков,

        3. разработка системы безопасности стенда.

Перечисленные выше компоненты, выбранные для работы на данном стенде, не токсичны, не разлагаются (кроме ВПВ – продукт разложения – кислород и вода), не требуют особых условий хранения, стабильны. Использованы несамовоспламеняющиеся пары компонентов: керосин и ВПВ, керосин и кислород, метан и кислород, метан и ВПВ. Данный фактор имеет положительную и отрицательную стороны:

  • с точки зрения безопасности является плюсом, так как при смешении окислителя и горючего, при нормальных условиях и без дополнительной энергии, данная смесь не воспламеняется, тем самым снижается вероятность взрывоопасной ситуации;

  • с точки зрения усложнения конструкции является минусом, так как появляется необходимость в использовании дополнительных источников энергии для воспламенения компонентов (калильное, катализационное, электроискровое зажигание).

Огневой стенд оснащен приточно-вытяжной вентиляционной системой с возможностью ежеминутной замены объема газа в огневом боксе после запуска двигателя.

Программа испытаний разработана совместно со специалистами ФКП «НИЦ РКП» и методикам, применимым при проведении испытаний ЖРД [2]

Основными особенностями работы нового стенда являются:

  1. Возможность работы на импульсных режимах тяги с фиксированием нестационарного значения тяги с применением силоизмерительного устройства (СИУИ).

СИУИ предназначено для закрепления на нем испытываемой камеры сгорания (КС) с трубопроводами подачи компонентов топлива; уравновешивания вектора тяги, создаваемого КС при огневых стендовых испытаниях (ОСИ); передачи осевой составляющей вектора тяги на динамометры, входящие в схему уравновешивания тяги по главной оси СИУИ; прямого измерения текущих значений импульсной силы тяги при импульсных циклических испытаниях КС. Силоизмерительное устройство в совокупности с измерительно-вычислительным комплексом обеспечивает прямое определение измеряемой силы тяги КС с коррекцией значений измеренных усилий от влияния факторов, действующих на СИУИ1500 в ходе ОСИ КС.

Уравнение равновесия подвижной части СИУИ1500 при испытании КС имеет вид:

(1)

где: – измеряемая реактивная сила тяги модельной камеры сгорания; – исходно задаваемая нагружателем сильфонным образцовая сила, по показаниям датчика ДО; – сила реакции динамометра рабочего ДР; – суммарная сила реакции подвесок гибких; – сила реакции трубопровода подачи окислителя; – сила реакции трубопровода подачи горючего.

Уравнение равновесия подвижной части при градуировке СИУИ-1500 () имеет вид:

, (2)

где: – задаваемая при градуировке образцовая сила, по показаниям ДО; – сила реакции динамометра рабочего при градуировке; – сила реакции подвесок гибких при градуировке; – сила реакции трубопровода подачи окислителя при градуировке; – сила реакции трубопровода подачи горючего при градуировке.

Из уравнения (2) определяется функция потерь (сумма сил реакций связей) при градуировке:

. (3)

Так как жесткость связей на несколько порядков ниже жесткости динамометра ДР и подвижной рамы, а расхождение сил реакций при испытании и градуировке несущественно, уравнение (1) с учетом уравнения (3) можно записать

, (4)

откуда значение измеряемой силы тяги определяется выражением:

. (5).

которое и является уравнением измерения СИУИ1500.

  1. Автоматизированная система управления стендом, сбора и обработки данных.

Системой управления называется комплекс устройств, посредством которых осуществляется запуск, останов, изменение режимов работы, контроль параметров, аварийный останов двигателя [1].

Система управления выполняет следующие основные функции:

  • автоматический запуск и останов двигателя по заданной циклограмме;

  • автоматический контроль над основными параметрами двигателя, а при достижении ими критических значений – аварийный останов по заданной программе;

  • автоматическое изменение режимов работы двигателя;

  • автоматическое управление стендовыми клапанами, поддержание заданных давлений наддувов и продувок;

  • автоматический контроль наличия компонентов в стендовых баках;

  • автоматический контроль целостности электрических цепей двигателя;

  • выдачу временных команд;

  • ручное управление стендом при подготовке к испытанию и во время испытаний.

Систему управления разбита на подсистемы, жестко связанные между собой, но решающие свои задачи (рис.1) . Связь всех подсистем осуществляется через систему программных устройств (СПУ). СПУ определяет программу работы, собирает готовности, выдает команды, которые преобразуются в системе управления стендом (СУС), системе управления регулятором расхода (СУРР), системе управления двигателем (СУД), и через систему переключений (СП) передаются для исполнения на агрегаты стенда и двигателя. При необходимости СП коммутирует эти команды на эквиваленты стенда (ЭС) и двигателя (ЭД). Сигналы обратных связей, которыми охвачена вся система управления, с датчиков через СП коммутируются в СУС, СУД, СУРР, где корректируются командные сигналы подсистем. Все подсистемы выдают сигналы на запись в систему измерения (СК), в задачу которой входит и контроль целостности электрических цепей двигателя. Все необходимое питание в систему управления выдается с помощью комплекса взаимосвязанных блоков, образующих систему питания (СуП).

Рис. 1. Функциональный состав

системы управления огневого стенда

  1. Система измерения на современных датчиках.

В систему измерения входят следующие датчики:

  • расходомеры;

  • кориолисовые массовые расходомеры (Bronkhorst High-Tech IN-FLOW) [3];

  • турбинные расходомеры (Hoffer Flow Controls);

  • термомассовые расходомеры (Bronkhorst High-Tech IN-FLOW);

  • дифференциальные расходомеры;

  • датчики давления:

  • тензометрические (ЗАО ОРЛЭКС, Sensys Corp[4]);

  • пьезоэлектрические (НИИ ФИИ г. Пенза);

  • термометры сопротивления для определения температуры компонентов и конструкции;

  • датчики тока клапанов.

Таблица 1.

Таблица измеряемых и регистрируемых параметров

Наименование параметра, условное обозначение,

единица измерения

Диапазон измерения

Погрешность измерения

Частота регистраций, Гц

Давление в камере сгорания, РК, кгс×см-2

1¼20

± 0,5 %

1—10

± 6 %

1000

Давление наддува расходного бака окислителя, Рб,О, кгс×см-2

1…25

± 0,03 %

1—10

Давление наддува расходного бака горючего, Рб,Г, кгс×см-2

1¼20

± 0,03 %

1—10

Давление окислителя на входе в двигатель, Рвх, О, кгс×см-2

1¼25

± 0,03 %

1—10

± 0,5 %

1000

Давление горючего на входе в двигатель, Рвх, Г, кгс×см-2

1¼20

± 0,5 %

1—10

± 0,05 %

1000

Давление окружающей среды, РОС, мм рт. ст.

730¼780

± 1 %

-

Расход окислителя, , г×с-1

0¼60

± 0,5 %

500

Расход горючего, , г×с-1

0¼36

± 0,5 %

500

Температура окислителя на входе в двигатель, Твх, О, К

278¼398

± 2,5 %

10

Температура горючего на входе в двигатель, Твх, Г, К

278¼398

± 2,5%

10

Температура конструкции, Тконстр, i, К

273¼1373

± 50

1—10

Ток клапана О, iO, А

0¼0,5

± 0,03

1000

Ток клапана Г, iГ, А

0¼0,5

± 0,03

1000

Напряжение питания клапанов, U, B

0¼30

± 2 %

1000

В таблице 1 представлен список измеряемых параметров. Для измерения давления используются два типа датчиков:

    • высокочастотные (1000 Гц), но с большой ошибкой (0,5%)

    • низкочастотные (1-10 Гц), но с высокой точностью (0.03%)

  1. Система видеотрансляции и внедрение на ее основе вебинаров.

Для видеозаписи и видеотрансляции закуплены и проверены на работоспособность веб-камеры высокого разрешения (8 МП), так же идут работы по настройке видео сервера и локальной сети.

Рассмотрим описание пневмогидравлической схемы испытательного стенда (ПГС).

Рис. 2. Пневмогидравлическая схема испытательного стенда

В ПГС (рис.2) вошли такие подсистемы как:

        1. Магистраль воздуха высокого давления (ВВД). Состоит из 4-х баллонов высокого давления (200 атм.). На стенде используется рабочее давление воздуха (50 атм.). ВВД служит для управления пневматическими клапанами магистралей.

        2. Магистраль подачи газообразного кислорода. Состоит из 6-ти баллонов (140 атм.) Подача кислорода на двигатель осуществляется посредством пневмоклапана, в котором находится мембрана срабатывающая при давлении 50 атм. Создаваемое ВВД, который подается через электро-пневмо клапан (ЭПК)

        3. Магистраль подачи ВПВ основана на вытеснительной системе. Наддув компонента осуществляется азотом, который, в свою очередь, управляется ВВД.

        4. Блок ЭПК состоит из элетро-пневмоклапанов, которые управляют подачей ВВД на клапана.

        5. Пультовая является головным центром, служащая для обработки, сбора и передачи данных.

        6. Рабочий участок. Там непосредственно расположен двигатель, СИУИ.

        7. Магистраль подачи керосина. Подача компонента, так же как и ВПВ, осуществляется системой вытеснения.

        8. Магистраль подачи метана.

        9. Магистраль воды высокого давления. Служит средством аварийного пожаротушения и для проведения гидравлических испытаний (гидроопрессовка, проливки, продувки и т.д.).

На данный момент проведены следующие работы:

  1. опрессовки магистралей;

  2. газовые продувки;

  3. технологические пуски;

  4. огневые испытания систем зажигания ЖРД МТ (рис. 3);

  5. полностью отлажено ручное управление стендом;

  6. проходит тестирование и настройку автоматизированная система управления;

  7. протестирована система регистрации данных с датчиков давления, тока и напряжения и расходов.

  8. Полные огневые испытания двигателя без СИУИ.

Рис. 3. Испытания ЖРД МТ на стенде кафедры «Ракетные двигатели»

Таким образом, в результате модернизации огневого стенда кафедры «Ракетные двигатели» были проделаны следующие работы:

  1. Модернизирован огневой стенд кафедры 202:

  • Выполнен монтаж системы питания газообразным кислородом, ВПВ, керосином, метаном;

  • Заменена система вентиляции огневого бокса

  • Внедрены современный измерительно-вычислительный комплекс и автоматизированная система управления стендом

  1. Выполнены первоэтапные исследования по контрактам с отечественными и зарубежными организациями (НПО «Энергомаш», ЧНУ-Южная Корея, ПАКУ-КНР), связанные с созданием перспективных ЖРД МТ на экологически чистых КРТ.

  2. Огневой стенд используется в учебном процессе в качестве лабораторной базы по специальностям «Ракетные двигатели» (экспериментальное исследование тяговой характеристики ЖРД) и «Инженерная защита окружающей среды» (эффективность перевода ЖРД с токсичных на экологически чистые компоненты топлив).

  3. Продолжены работы по использованию огневых экспериментов, проводимых в реальном времени, для дистанционных учебных и лабораторных занятий посредством передачи информации по локальной сети и сети Интернет.

Библиографический список

  1. Пухов В.А., Чучеров А.И. Стендовые огневые испытания ЖРД. М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1971.

  2. Жуковский А.Е., Кондрусев В.С. Испытание жидкостных ракетных двигателей. М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1981.

  3. http://www.sensys.co.kr



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Михаил янгель воспоминания о первом главном конструкторе кб "южное"

    Тезисы
    Этот сборник посвящен 95-летию со дня рождения академика Михаила Кузьмича Янгеля, выдающегося ученого и конструктора, создателя нового направления в ракетно-космической технике.
  2. Проект от 11 ноября 2008 года

    Реферат
    Проект долгосрочного прогноза научно-технологического развития Российской Федерации (до 2025 года) был представлен его разработчиками на заседание координационной группы и в настоящее время дорабатывается в соответствии с высказанными замечаниями
  3. За химическую безопасность межрегиональная общественная экологическая организация Пермское городское отделение

    Документ
    1) исследования и экспертизы авторитетных ученых: доктора химических наук Л. А. Фёдорова, доктора медицинских наук В. М. Лупандина, академика Л.Е. Панина и др.
  4. Пособие предназначено для студентов технических вузов при прохождении ими курса «История науки и техники». Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры 07 г

    Документ
    Данное учебное пособие включает в себя основные разделы по развитию ракетно-космической техники и освоению космического пространства, являясь органичным продолжением учебного пособия «История авиации» канд.
  5. Программа 16 18 февраля

    Программа
    Тираж 500 экз. Типография издательства Самарского государственного аэрокосмического университета 44308 Самара, Московское шоссе, 34. 0-я студенческая научная конференция подводит итоги научной работы, выполненной студентами в 009

Другие похожие документы..