13.3. Экспериментальная отработка камер сгорания и газогенераторов. Установки и стенды для испытаний

Автономные испытания камер сгорания и газогенераторов проводят для определения гидравлических характеристик трактов камер, газогенераторов и их элементов (“холодные” испытания), а также оценки теплового состояния объектов, устойчивости и эффективности протекающих в них процессов (огневые испытания). Огневым испытаниям, как правило, предшествуют технологические проверки камер и газогенераторов на прочность и герметичность, а для некоторых элементов, например форсуночных головок – проливки с целью оценки их гидравлических характеристик.

Гидравлические испытания с целью проверки прочности являются обязательным этапом процесса изготовления камер и их узлов. При испытании во внутренние полости подается жидкость под давлением, превышающим на 25 % максимальное рабочее давление. При этом агрегат находится при этом в специальном боксе.

Проливка или продувка камер сгорания и газогенераторов осуществляется с целью определения пропускной способности или гидравлического сопротивления трактов. Под пропускной способностью понимается объемный или массовый расход при заданном перепаде давления. При определении гидросопротивления находят перепад давлений при заданном расходе на проливочных установках для последующей настройки двигателя на заданный режим.

Огневые испытания камер сгорания и газогенераторов проводятся для исследования процессов смесеобразования и горения, определения энергетических характеристик и выявления дефектов конструкции на стадии проектирования и отработки. Здесь – удельный импульс давления в камере, который определяется применяемыми компонентами топлива; к_m – массовое соотношение секундных расходов компонентов топлива; р_к – давление в камере сгорания.

Стенды для огневых испытаний камер сгорания и газогенераторов принципиально не отличаются от стендов для испытаний двигателей и включают системы топливопитания, измерения, управления, отвода продуктов сгорания.

Рассмотрим пневмогидравлическую схему стенда для испытания камеры (газогенератора) на криогенных компонентах топлива: кислороде и водороде (рис. 13.11), где для примера показана комбинированная система, включающая газобаллонную систему подачи газообразного водорода, вытеснительную систему подачи жидкого кислорода и насосную систему подачи воды для охлаждения камеры сгорания.

Водород может использоваться на стенде в газообразном состоянии, так как в этом случае не требуется создавать систему теплоизоляции. Система подачи выполняется газобаллонной (более простая в эксплуатации). При использовании жидкого водорода (Т_кип = 20 К) система подачи должна быть выполнена с определенным видом теплоизоляции, например, экранно-вакуумной, и может быть вытеснительной или насосной.

Рис. 13.11. Пневмогидравлическая схема стенда для огневых испытаний камеры сгорания (газогенератора):

1– баллонная батарея горючего; 2 – предохранительный клапан; 3 – вентиль; 5 – клапан; 6 – редуктор газовый; 7 – ресивер; 8, 9 – ЭПК; 10 – расходомер; 11 – ЭПК продувки; 12 – клапан подачи горючего; 13, 15 – дроссели; 14 – датчик давления; 16 – камера сгорания; 17 – пирозапал; 18, 19 – отсечные клапаны подачи окислителя; 20 – датчик давления; 21, 22 – отсечные клапаны; 23 – насос; 24 – бак; 25 – датчик уровня; 26 – расходомер; 4, 27 – фильтр; 28 – клапан слива; 29 – отсечной клапан; 30 – вентиль заправки; 31 – теплоизоляционный кожух; 32 – баллоны жидкого кислорода; 33 – ЭПК наддува; 34 – дренажный клапан; 35 – сигнализатор давления

Система горючего (газообразного водорода) включает баллонную батарею 1, состоящую из группы баллонов, запорного вентиля 3, предохранительного клапана 2, фильтра 4, редуктора 6, отсечных клапанов 5 и 12, датчиков расхода 10. Подсистема регулирования редуктора 6 включает ресивер 7, ЭПК 8 и 9 для форсирования и дросселирования режима. Система подачи жидкого кислорода включает баллоны 32, заключенные в термоизоляционный кожух 31, систему наддува, осуществляемого с помощью ЭПК 33 и сигнализатора давления 35, дренажный клапан 34. Система заправки состоит из заправочной магистрали, вентиля заправки 30 с фильтром и клапанов слива 28 и захолаживания 19. В расходной магистрали установлены отсечной клапан 29, фильтр 27, датчики расхода 28 и отсечные клапаны 18, дроссель 15 и ЭПК продувок 11. Насосная система подачи включает в себя бак 24 с системой наддува, дренажа и заправки, расходную магистраль подачи воды на вход в насос 23 с клапаном и датчиками расхода. Насос 23 служит для подачи воды в систему охлаждения камеры сгорания 16. Насос вначале работает на линию циркуляции, т. е. слив происходит в емкость 24 через открытый клапан 22. По команде с пульта управления открывается клапан 21 подачи вода на охлаждение камеры, при нарастания давления в магистрали по сигналу датчика давления 20 подается команда на закрытие клапана 22 (циркуляция прекращается).

В рассматриваемой ПГС расход газообразного водорода изменяется и поддерживается на заданном уровне в процессе испытания газовым редуктором 6, управляемым дистанционно изменением давления в командной полости (в ресивере 7) с помощью ЭПК 8 и 9, включаемых по сигналам датчика давления 14.

Расход кислорода поддерживается определенным наддувом баллонов через ЭПК 33 по сигналам датчика давления 35. Расход воды на охлаждение регулируется изменением частоты вращения ротора насоса 23. В момент запуска режимы (расходы компонентов топлива) регулируются дросселями 13 и 15, установленными на магистралях питания. Компоненты топлива в данной схеме воспламеняются пороховыми газами пирозажигательного устройства 17. Кроме того, могут быть применены электрические системы зажигания с использованием высокоразрядных свечей зажигания (как в авиационных газотурбинных двигателях и двигателях внутреннего сгорания).

На стендах с насосной системой топливоподачи в испытуемую камеру сгорания используется технологический ТНА, работающий от стендового газогенератора или электропривода. Топливные насосы обычно располагаются на одном валу и, следовательно, имеют одинаковую частоту вращении ротора.

Настройка топливной системы заключается в определении необходимых частот вращения насосов и сопротивлений магистралей окислителя и горючего. Для настройки необходимо знать:

характеристики насосов и турбины;

гидросопротивления расходных магистралей стенда Δр_маг;

давление газов в камере сгорания р_к;

гидросопротивление полостей окислителя и горючего камеры Δр_к.

Расчет настройки производится в следующей последовательности:

1. Определяют потребное давление за насосами окислителя и горючего по формуле

р_п = р_к + Δр_к + Δр_маг + р_н, (13.2)

где р_Н – давление столба жидкости; Δр_маг - перепад давления магистралей от насоса до камеры сгорания.

2. По характеристикам насосов определяют потребные частоты вращения насосов окислителя и горючего. За рабочую частоту вращения выбирают большее значение (например, частоту вращения насоса окислителя).

3. При рабочей частоте вращения определяют располагаемое давление за насосом горючего по характеристике насоса горючего р_н.г.р.

4. Вычисляют перепад давлений, который должен быть уменьшен на дросселе или дроссельной шайбе, устанавливаемой в магистрали горючего:

Δр_г= р_н.г.1 – р_н.г.2. (13.3)

5. По этому значению перепада давления определяют положение дросселя горючего (по характеристике дросселя) или диаметр дроссельной шайбы.

6. С учетом характеристик турбины и газогенератора определяют расход рабочего тела.