УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАЧИ ЖИДКОСТИ В ГАЗОЖИДКОСТНОЙ ЭЖЕКТОР СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2001 года по МПК G01M15/00 F02K9/96 

Изобретение относится к технике испытаний ракетных двигателей (РкД) и может быть использовано в газожидкостных эжекторах (ГЖЭ), применяющихся для резкого уменьшения яркости излучения (светогашения) выхлопной струи, глушения аэродинамических струйных шумов, нейтрализации токсичных продуктов сгорания в выхлопной струе РкД. Подавление перечисленных отрицательных факторов, вызывающих загрязнение окружающей среды, достигается при совместной работе РкД и ГЖЭ благодаря подаче из емкости в ГЖЭ нейтрализующей жидкости, которая в камере смешения ГЖЭ перемешивается и вступает во взаимодействие с выхлопными газами РкД.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для подачи жидкости в ГЖЭ стенда для испытаний ракетных двигателей (принято за прототип) (1), содержащее жидкостной коллектор с форсунками, емкость с жидкостью, аккумулятор давления сжатого газа, управляемый клапан, газовод, соединяющий аккумулятор давления сжатого газа через управляемый клапан с газовым пространством емкости с жидкостью, трубопровод подачи жидкости, присоединенный концами к жидкостному пространству емкости с жидкостью и жидкостному коллектору, схему управления клапаном, состоящую из датчика давления в камере сгорания ракетного двигателя и реле давления, подключенного линией связи к выходу датчика давления (1).

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявленным изобретением, включают жидкостной коллектор с форсунками, емкость с жидкостью, газовод, присоединенный одним концом к газовому пространству емкости с жидкостью, трубопровод подачи жидкости, присоединенный концами к жидкостному пространству емкости с жидкостью и жидкостному коллектору с форсунками, управляемый клапан, схему управления клапаном, состоящую из датчика давления в камере сгорания ракетного двигателя и реле давления, подключенного линией связи к выходу датчика давления.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в трудности поддержания постоянного давления газа в газовом пространстве емкости с жидкостью и вследствие этого равномерной подачи жидкости в жидкостной коллектор ГЖЭ из-за падения давления газа в газовом аккумуляторе давления по мере расходования газа. Особенно трудно обеспечить постоянство давления и равномерность подачи жидкости в выхлопную струю крупногабаритных РкД с большим временем работы, когда для достижения требуемой эффективности шумоглушения, светогашения и нейтрализации токсичных выхлопных продуктов сгорания в струю необходимо производить впрыск 1 м³/с и более жидкости. Поэтому вытеснительная система подачи жидкости с наддувом емкости с жидкостью давлением газа от аккумулятора давления в состоянии обеспечить требуемый режим работы ГЖЭ с точки зрения подавления отрицательных факторов, обусловленных выхлопной струей, только в начале испытания РкД. К концу испытания режим работы ГЖЭ все больше отклоняется от оптимального режима и, следовательно, эффективность подавления отрицательных факторов падает. При этом в случае значительного снижения давления газа в газовом аккумуляторе давления возможно запирание жидкостного коллектора и прекращение впрыска жидкости в выхлопную струю. В такой ситуации не только прекращается подавление отрицательных факторов, но и возможно разрушение конструкции ГЖЭ ввиду резкого возрастания термической нагрузки на конструкцию со стороны выхлопных газов.

Кроме того, наличие аккумулятора давления сжатого газа в устройстве подачи жидкости в ГЖЭ ухудшает технико-экономические показатели работы испытательного стенда. Уменьшается его пропускная способность из-за необходимости периодической подзарядки газового аккумулятора с помощью компрессора высокого давления, возрастают затраты электроэнергии и эксплуатационные расходы на обслуживание стендового оборудования.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи создания устройства, позволяющего повысить степень постоянства давления газа в газовом пространстве емкости с жидкостью и благодаря этому увеличивающему равномерность подачи жидкости в жидкостной коллектор ГЖЭ, а, следовательно, в выхлопную струю при испытаниях РкД любых типов. Повышение равномерности впрыска жидкости в струю выхлопных газов обеспечивает высокую эффективность подавления отрицательных факторов, обусловленных выхлопном струей, на протяжении всего периода работы РкД.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в наддуве емкости с жидкостью скоростным напором выхлопной струи РкД, благодаря чему возрастает степень постоянства давления газа в газовом пространстве емкости с жидкостью к увеличивается равномерность подачи жидкости в жидкостной коллектор ГЖЭ.

Данный технический результат достигается тем, что устройство для подачи жидкости в газожидкостной эжектор (ГЖЭ) стенда для испытания ракетных двигателей, содержащее жидкостной коллектор с форсунками, емкость с жидкостью, содержащей газовое и жидкостное пространство, газовод, присоединенный первым концом к газовому пространству емкости с жидкостью, трубопровод подачи жидкости в жидкостной коллектор, соединенный с жидкостным пространством емкости с жидкостью, управляемый клапан, схему управления управляемым клапаном, состоящую из датчика давления в камере сгорания ракетного двигателя и реле давления, подключенного линией связи к выходу датчика давления, снабжено обратным клапаном, дополнительным управляемым клапаном, вспомогательным ракетным двигателем твердого топлива, сопло которого соединено с газовым пространством емкости с жидкостью, газоотборником, выполненным в виде трубки полного давления, рабочий конец которой размещен во входной части ГЖЭ перед жидкостным коллектором и ориентирован навстречу потоку газа, истекающего из сопла испытываемого ракетного двигателя, а нерабочий коней через обратный клапан присоединен ко второму концу газовода, форсунку с отводной трубкой для подачи охлаждающей жидкости, установленную во входной части ГЖЭ перед газоотборником и соединенную отводной трубкой через дополнительный управляемый клапан с жидкостным пространством емкости с жидкостью, которое трубопроводом подачи жидкости соединено через управляемый клапан с жидкостным коллектором ГЖЭ, двумя ключами выбора режима управления клапанами с двумя входами и одним выходом и двумя кнопочными постами управления, причем выходы первого и второго ключей выбора режима управления подключены линиями связи соответственно к управляемому клапану и дополнительному управляемому клапану, первые входы обоих ключей выбора режима управления линиями связи подключены к выходу реле давления, а вторые входы - к соответствующим кнопочным постам управления.

На чертеже представлен схематический чертеж ГЖЭ с предлагаемым устройством подачи жидкости.

На чертеже показаны:
Газожидкостной эжектор (ГЖЭ) 1, жидкостной коллектор 2 с форсунками 3, емкость с жидкостью 4, газоотборник 5, форсунка 6 с отводной трубкой 12, вспомогательный РДТТ 7, обратный клапан 8, газовод 9, управляемый клапан 10, трубопровод подачи жидкости 11 из жидкостного пространства емкости с жидкостью 4 в жидкостной коллектор 2, дополнительный управляемый клапан 13, датчик давления в камере сгорания РкД 14, реле давления 15, ключи выбора режима управления 16, 18, кнопочные посты управления 17, 19 с кнопками "пуск" и "стоп", вентиль 20 для сброса давления газа в емкости с жидкостью и заполнения последней жидкостью, комплект приборов для измерения давления газа в газовом пространстве емкости с жидкостью, состоящий из датчика давления 21 и манометра 22, комплект приборов для контроля уровня жидкости в емкости с жидкостью, состоящий из датчика уровня 25 и вторичного прибора 24.

Устройство работает следующим образом.

Перед пуском РкД емкость 4 заполняется жидкостью почти полностью. Свободный объем (газовое пространство) оставляется равным 1-2% от объема емкости 4. Вентиль 20 устанавливается в положение "закрыто". Ключи выбора режима управления 16, 18 (имеют три положения "Автоматическая работа", "Нейтральное положение", "Ручное управление") устанавливаются в положение "Автоматическая работа" (ключ 16) и "Ручное управление " (ключ 18). При этом нормально закрытый управляемый клапан 10 вследствие нулевого сигнала на выходе реле давления 15 оказывается в состоянии "Закрыто". В таком же состоянии оказывается нормально закрытый дополнительный управляемый клапан 13 при нажатии кнопки "стоп" (снимает сигнал) в кнопочном посту управления 19.

Производят пуск вспомогательного РДТТ 7, сопло которого соединено с газовым пространством емкости 4. При работе вспомогательного РДТТ давление Р_б - в газовом пространстве возрастает (обратный клапан 8 не пропускает газ в атмосферу) и достигает по окончании работы значения P_бmax контролируемого манометром 22. Нажимают кнопку "Пуск" в кнопочном посту 19, и жидкость из емкости 4 через трубку 12 вытесняется в форсунку 6, обеспечивая при наличии выхлопной струи охлаждение потока газа, набегающего на газоотборник 5. Необходимость упреждающей подачи жидкости в форсунку 6 обусловлена наличием небольшого запаздывания (0,2 - 0,3 с) момента подачи жидкости под действием давления скоростного напора от момента появления выхлопной струи. Как показала экспериментальная проверка, времени 0,2-0,3 с вполне достаточно для разрушения газоотборника 5 высокотемпературной выхлопной струей в случае задержим подачи охлаждающей жидкости через форсунку 6. Попутно следует отметить, что наддув емкости с жидкостью вспомогательным РДТТ сокращает время задержки и способствует почти синхронному впрыску жидкости в выхлопную струю из форсунок 3 жидкого коллектора 2 с моментом появления в ГЖЭ 1 выхлопной струи. Как показано в (2), предлагаемое устройство обеспечивает в емкости с жидкостью давление P_б = 6 кг/см² при P_о = Р_к = 25 кг/см², при котором соотношение расходов жидкости и выхлопных газов G_ж/G_г = 1. Внутрикамерное давление Р_к у натурных РДТТ значительно выше. Следовательно выше будет и отбираемое давление Р_отб ≈ (0,23 - 0,25) P_к (2) в емкость с жидкостью Р_б ≈ P_отб. Поэтому соотношение G_ж/G_г окажется значительно больше единицы.

По окончании работы РкД избыточное давление Р_к в камере сгорания падает до нуля. Сигнал на выходе реле давления 15 также снижается до нулевого значения, что приводит к переключению управляемого клапана 10 в положение "Закрыто".

Нажатие на кнопку "Стоп" в кнопочном посту 19 переводит дополнительный управляемый клапан 13 тоже в положение "Закрыто". При закрытых клапанах 10 и 13 в емкости 4 сохраняется, как показали эксперименты, избыточное давление P_б (обратный клапан 8 не пропускает газ в атмосферу), благодаря чему повторные испытания РкД при достаточном объеме жидкости в емкости 4 можно проводить без пуска вспомогательного РДТТ.

Однако, если объем оставшейся жидкости недостаточен, то открывают вентиль 20 и после снижения давления P_б до атмосферного давления заполняют емкость 4 жидкостью, а затем устанавливают новый вспомогательный РДТТ 7.

При малых длинах газовода 9 и трубопровода подачи жидкости 11 время запаздывания момента подачи жидкости в выхлопную струю РкД относительно появления самой струи может оказаться менее 0,1 с и тогда ключ выбора режима управления 18 после пуска РкД может быть переведен в положение "Автоматическая работа". В этом случае по окончании работы РкД под действием нулевого сигнала реле давления 15 оба управляемых клапана одновременно переключатся из состояния "Открыто" в состояние "Закрыто" и тем самым предупредят поступление жидкости из емкости 4 в ГЖЭ под действием избыточного давления Р_б. Если бы перекрытие клапанов не произошло, то при отсутствии выхлопной струи и подаче жидкости в ГЖЭ испытательный стенд оказался бы затопленным.

Оперативный контроль давления P_б газа и уровня L жидкости в емкости 4 осуществляют по показаниям манометра 22 и вторичного прибора 24.

Таким образом, созданное устройство обеспечивает высокую эффективность подавления отрицательных факторов (уменьшение яркости излучения выхлопной струи, глушение аэродинамических струйных шумов, нейтрализация токсичных продуктов сгорания в выхлопной струе), вызывающих загрязнение окружающей среды.

Список использованной литературы.

1. Аэрокосмическая техника и высокие технологии - 2000. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции (под ред. Ю.В.Соколкина и А.А. Чекалкина) Пермь: ПГТУ, 2000 - 250 с.

2. Экспериментальные исследования модельной вытеснительной системы подачи жидкости в ГЖЭ. с. 84.

3. Экспериментальные исследования работоспособности и эффективности работы газоотборных устройств. с. 85.

Устройство для подачи жидкости в газожидкостной эжектор стенда для испытания ракетных двигателей состоит из жидкостного коллектора, емкости с жидкостью, газовода, трубопровода подачи жидкости в жидкостной коллектор, управляемого клапана, схемы управления управляемым клапаном, обратного клапана, дополнительного управляемого клапана, вспомогательного ракетного двигателя, форсунки, двух ключей выбора режима управления клапанами и двух кнопочных постов управления. Изобретение позволяет осуществить наддув емкости с жидкостью скоростным напором выхлопной струи ракетного двигателя, благодаря чему возрастает степень постоянства давления газа в газовом пространстве емкости с жидкостью и увеличивается равномерность подачи жидкости в жидкостной коллектор ГЖЭ. 1 ил.

Устройство для подачи жидкости в газожидкостной эжектор (ГЖЭ) стенда для испытания ракетных двигателей, содержащее жидкостной коллектор с форсунками, емкость с жидкостью, содержащей газовое и жидкостное пространство, газовод, присоединенный первым концом к газовому пространству емкости с жидкостью, трубопровод подачи жидкости в жидкостной коллектор, соединенный с жидкостным пространством емкости с жидкостью, управляемый клапан, схему управления управляемым клапаном, состоящую из датчика давления в камере сгорания ракетного двигателя и реле давления, подключенного линией связи к выходу датчика давления, отличающееся тем, что устройство снабжено обратным клапаном, дополнительным управляемым клапаном, вспомогательным ракетным двигателем твердого топлива, сопло которого соединено с газовым пространством емкости с жидкостью, газоотборником, выполненным в виде трубки полного давления, рабочий конец которой размещен во входной части ГЖЭ перед жидкостным коллектором и ориентирован навстречу потоку газа, истекающего из сопла испытываемого ракетного двигателя, а нерабочий конец через обратный клапан присоединен ко второму концу газовода, форсунку с отводной трубкой для подачи охлаждающей жидкости, установленную во входной части ГЖЭ перед газоотборником и соединенную отводной трубкой через дополнительный управляемый клапан с жидкостным пространством емкости с жидкостью, которое трубопроводом подачи жидкости соединено через управляемый клапан с жидкостным коллектором ГЖЭ, двумя ключами выбора режима управления клапанами с двумя входами и одним выходом и двумя кнопочными постами управления, причем выходы первого и второго ключей выбора режима управления подключены линиями связи соответственно к управляемому клапану и дополнительному управляемому клапану, первые входы обоих ключей выбора режима управления линиями связи подключены к выходу реле давления, а вторые входы - к соответствующим кнопочным постам управления.