Стенд для испытаний насосной системы подачи порошкообразного металла в камеру сгорания ракетного двигателя
TEST BENCH FOR THE PUMPING SYSTEM FOR POWDERED METAL SUPPLY TO THE COMBUSTION CHAMBER OF A ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при испытаниях насосных систем подачи порошкообразного металла в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).
Проведение стендовых испытаний является обязательной процедурой при разработке новых двигательных установок, модернизации существующих двигателей и контроле качества технологии их производства /1, 2/.
Конструктивно-технологические особенности стенда для испытаний насосной системы подачи порошкообразного металла в камеру сгорания ЖРД и должны учитывать особенности рабочих процессов в насосной системе подачи порошкообразного металла. В настоящее время такие рабочие процессы еще не полностью выявлены и не изучены, поэтому задачей такого стенда должна быть не только проверка работоспособности агрегатов и самой насосной системы, но выявление и исследование сопутствующих рабочих процессов.
Известен /3/ стенд для испытаний ЖРД, который содержит системы подачи компонентов топлива к двигателю, включающие в себя расходные баки, разделительные и бустерные емкости, расходные магистрали с расходомерами, пусковые магистрали, топливную арматуру, магистрали сжатых газов. В разделительные емкости установлены отсечные клапаны, а снаружи разделительных емкостей установлены приводы клапанов, причем клапаны и их приводы соединены между собой механическими связями.
Этот стенд по конструкции и технологии не предусматривает выполнения работ, связанных с проверкой работоспособности заявляемой насосной системы и выявления и исследования рабочих процессов в ней.
Известен /4/ другой, наиболее близкий к заявляемому техническому решению и более сложный по сравнению с аналогом /3/ стенд для испытаний энергоустановок с криогенными компонентами топлива.
Этот стенд включает в себя систему подачи топлива, теплоизолированные расходные емкости, магистральные трубопроводы с системой управления процессов испытаний и контроля параметров, соединяющие накопительные емкости с испытываемой энергоустановкой, при этом система подачи компонентов топлива снабжена, как минимум, одной нетеплоизолированной накопительной емкостью высокого давления, снабженной магистральными трубопроводами с клапанами, соединяющими ее с входными и выходными охлаждающими трактами энергоустановки с возможностью подачи в нее остатков жидкого компонента после проведения испытаний энергоустановки и подачи этого компонента после его газификации на вход энергоустановки для проведения испытаний.
Однако этот стенд также не может быть использован в качестве стенда для испытаний насосной системы подачи порошкообразного металла в камеру сгорания, ввиду существенной разницы между используемыми компонентами топлива, однако некоторые технические особенности стенда-прототипа могут быть учтены при решении задачи заявляемого изобретения.
Задача изобретения - усовершенствование конструктивно-технологических характеристик стенда, обеспечивающее проведение испытаний системы подачи с учетом особенностей состава применяемого ракетного горючего.
Поставленная задача решается тем, что в стенд для испытаний насосной системы подачи порошкообразного металла в камеру сгорания ракетного двигателя, содержащий корпусную оснастку, технологические емкости, систему подачи горючего в камеру сгорания и систему управления процессами испытаний и контроля параметров, дополнительно введена система подачи гелеобразного горючего с порошкообразной металлической добавкой с регулятором вязкости гелеобразного горючего, установленным перед насосным агрегатом, а регулятор вязкости содержит активатор, использующий вращающееся электромагнитное поле, воздействующее на горючее, при этом дополнительно:
- одна из технологических емкостей является расходной, а другая накопительной, причем эти емкости выполнены цилиндрическими, одинаковыми по размерам, форме и взаимозаменяемыми и установлены на корпусной оснастке с возможностью переустановки;
- стенд содержит имитатор камеры сгорания ракетного двигателя, устанавливаемый после насосного агрегата перед накопительной емкостью при проведении автономных испытаний насосной системы подачи в камеру высокого давления и демонтируемый при проведении огневых испытаний ракетного двигателя;
- в качестве привода насосного агрегата используется турбоагрегат, присоединенный к отдельному газогенератору;
- в качестве привода насосного агрегата он содержит электродвигатель, подключенный к источнику внешнего электропитания и присоединяемый к насосному агрегату посредством регулируемой кинематической связи.
Основные существенные признаки, как известные (корпусная оснастка, технологические емкости, система подачи горючего в камеру сгорания и система управления процессами испытаний и контроля параметров), так и отличительные (система подачи гелеобразного горючего с порошкообразной металлической добавкой с регулятором вязкости гелеобразного горючего, установленным перед насосным агрегатом, введение в состав регулятора вязкости активатора, использующего вращающееся электромагнитное поле, воздействующее на горючее) являются необходимыми и достаточными для решения поставленной задачи и раскрытия технической сущности заявляемого изобретения.
Так, напр., в /5, с. 223-224/ указывается на то, что для обеспечения работы насосной системы можно, как вариант, перед подачей горючего в камеру сгорания уменьшить вязкость геля, используя его тиксотропность.
2
Общеизвестно, что воздействие переменного электромагнитного поля на водные растворы интенсифицирует в них тепло- и массообменные процессы. Это объясняется тем, что молекула воды НО является диполем с положительным и отрицательным полюсами.
Жидкие ракетные горючие являются диэлектриками /6, с. 156-275/, поэтому действие переменного электромагнитного поля на них слабо выражено. Однако включение в состав гелеобразного горючего электромагниточувствительного порошкообразного металла может приводить к увеличению интенсивности тепло- и массообменных процессов в горючем и разрушении структуры геля, снижая вязкость и повышая текучесть (напр., /7/).
Дополнительные признаки:
а) одна из технологических емкостей является расходной, а другая накопительной, и выполнение этих емкостей цилиндрическими, одинаковыми по размерам, форме и взаимозаменяемыми и установка их на корпусной оснастке с возможностью переустановки;
б) наличие имитатора камеры сгорания ракетного двигателя, устанавливаемого после насосного агрегата перед накопительной емкостью при проведении автономных испытаний насосной системы подачи в камеру высокого давления и демонтируемого при проведении огневых испытаний ракетного двигателя;
в) использование в качестве привода насосного агрегата используется турбоагрегата, присоединенного к отдельному газогенератору;
г) применение в качестве привода насосного агрегата он содержит электродвигателя, подключенного к источнику внешнего электропитания и присоединяемого к насосному агрегату посредством регулируемой кинематической связи,
раскрывают технические особенности заявляемого изобретения с полнотой, достаточной для его осуществления.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена общая схема стенда для производства автономных испытаний, на фиг. 2 - схема стенда применительно к проведению огневых испытаний, на фиг. 3 - вариант конструктивного исполнения регулятора с активатором, основанным на использовании вращающегося электромагнитного поля.
Стенд (фиг. 1) содержит корпусную оснастку 1, расходную емкость 2 и накопительную емкость 3. Емкость 2 установлена вертикально, емкость 3 установлена в произвольном наклонном положении. Емкости 2 и 3 одинаковы по размерам и форме и содержат собственно одинаковые цилиндрические обечайки, а также верхнее 4 и нижнее 5 днища и крышки 6.
При подготовке стенда к проведению автономных испытаний системы подачи от накопительной емкости 3 отсоединяется, вместо нее к днищу 4 присоединен имитатор камеры сгорания 7, а внутренняя полость емкости 3 сообщается с атмосферой через пневмотрубку 8.
Система предварительного наддува расходной емкости 2 содержит аккумулятор давления 9, линию пневмосвязи 10 и регулируемый вентиль 11. Перед проведением испытаний, как автономных, так и огневых, емкость 2 заполняется гелеобразным горючим 12 с порошкообразной металлической присадкой. Таким горючим может быть алюмизин (напр., /5, с. 223-224/), состоящий из гидразина - 66,5%, алюминия - 33%, гелирующей добавки - 0,5%.
К нижнему днищу 5 расходной емкости 2 присоединен расходный трубопровод 13, к которому присоединен входной патрубок насоса 14. В накопительной емкости 3 трубопровод 13 заглушен крышкой 15.
На одной оси (валу) с насосом 14 установлен турбоагрегат 16, который является приводом насоса 14. Турбоагрегат 16 работает (линия связи 17) от отдельного газогенератора 18. В качестве компонентов топлива газогенератора 18 могут быть использованы гомогенные компоненты (пара окислитель-горючее) или унитарное топливо, напр., перекись водорода.
На одной оси (валу) с насосом 14 и турбоагрегатом 16 установлен электрогенератор 19, вырабатывающий многофазный электрический ток.
Внутри емкостей 2 и 3 в области входа в трубопровод 13 на пилонах 20 установлен тарельчатый воронкогаситель 21, внутри которого размещена электрическая обмотка 22.
Другая электрическая обмотка 23 установлена на днище 5, причем обмотки 22 и 23 размещены и подключены к электрогенератору таким образом, что при подаче на них по электрической линии связи 24 многофазного электрического тока в тракте подачи горючего 12 между воронкогасителем 21 и днищем 5 и далее на некотором участке трубопровода 13 создается вращающееся электромагнитное поле.
Напорный патрубок насоса 14 и имитатор камеры сгорания 7 сообщены между собой трубопроводом 25, в состав которого входит регулируемый вентиль 26 и другие гидравлические приборы 27 и датчики 28, представляя тем самым один из трубопроводов с системой управления процессами испытаний и контроля параметров.
Стенд также содержит электродвигатель 29, подключенный к внешнему источнику электропитания и кинематически связанный с турбоэлектронасосным агрегатом (насос 14, турбоагрегат 16 и электрогенератор 19) посредством регулируемой муфты 30. Муфта 30 может быть гидравлической, электрической или механической.
На фиг. 2 приведена схема стенда для проведения огневых испытаний систем подачи и самих ЖРД. Вместо имитатора на стенд устанавливается камера сгорания 31, к которой от расходной емкости через регулятор вязкости, турбонасосный агрегат и трубопровод 25 подведена магистраль подачи горючего 12. К камере сгорания 31 подведены трубопроводы 32 и 33 подачи других жидкостей от технологических емкостей 34 и 35, в одной из которых может быть размещено другое горючее, а в другой - окислитель. Кроме того, на стенд может быть установлена труба шумопламягашения 36.
На фиг. 3 приведен другой вариант конструктивного исполнения электромагнитного активатора. В области стыка трубопровода 13 и входного патрубка насоса 14 на трубопроводе 13 смонтирована электрическая обмотка 37, подсоединенная к электрогенератору 19 таким образом, что при подаче на нее многофазного электрического тока внутри трубопровода 13 создается вращающееся электромагнитное поле.
При автономных испытаниях производится предварительный наддув емкости 2. Затем производится раскрутка насоса 14 и электрогенератора 19, при этом может быть использован и электродвигатель 29. После выхода электрогенератора 19 на режим кинематическая связь между электродвигателем 29 и турбоэлектронасосным агрегатом отключается муфтой 30. На трубопроводе 25 срабатывают вентиль 26 и другие агрегаты, горючее (стрелка 38) поступает в накопительную емкость 3. Через приборы 27 и датчики 28 производится контроль за проведением процесса испытаний. После завершения испытаний производится переустановка емкостей 2 и 3 таким образом, что наполненная горючим емкость 3 становится расходной, а пустая емкость 2 накопительной. Крышка 15 снимается, производится перестыковка насосного агрегата и имитатора 7, после чего стенд готов к проведению повторных автономных испытаний агрегатов насосной системы.
Огневые испытания проводятся аналогично с учетом технических характеристик стенда (фиг. 2), ракетного двигателя и технологии самих испытаний.
Список литературы:
1. Жуковский А.Е. и др. Испытания жидкостных ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1981.
2. Космонавтика: Маленькая энциклопедия. / Под ред. В.П. Глушко. - М.:СЭ. 1970. Ст. «Испытание ракетного двигателя», с. 180-181.
3. Патент РФ №2111373 на изобретение «Стенд для испытаний жидкостных ракетных двигателей», 1996.
4. Патент РФ №2445503 на изобретение «Стенд для испытаний энергоустановок с криогенными компонентами топлива», 2010.
5. В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин. Теория ракетных двигателей. Под редакцией В.П. Глушко, - М.: Машиностроение, 1980.
6. Большаков Г.Ф. Химия и технология компонентов жидкого ракетного топлива. - Л.: Химия, 1983.
7. Забулонов Ю.Л., Кадошников В.М., Литвиненко Ю.В. О влиянии электромагнитного поля на устойчивость коллоидов на примере гидроксида железа. Збiрник наукових праць Институту reoxiмii навколишнього середовища, 2009,17, с. 63-66.