Файл: Учебное пособие Воронеж 2011 фгбоу впо Воронежский государственный технический университет.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.01.2024
Просмотров: 322
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Г.И. Скоморохов
гидравлика
ракетных двигателей
Часть 1
Учебное пособие
Воронеж 2011
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
технический университет»
Г.И. Скоморохов
гидравлика
Ракетных двигателей
Часть 1
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебное пособие
Воронеж 2011
УДК 629. 001. 036
Скоморохов Г.И. Гидравлика ракетных двигателей: учеб. пособие; часть 1 / Г.И. Скоморохов. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. – Ч. 1. 214 с.
Учебное пособие содержит основы гидростатики и динамики установившихся напорных течений несжимаемой жидкости, рассмотрены особенности поведения жидкости в условиях невесомости, особое внимание уделено анализу гидравлических потерь при ламинарном и турбулентном режимах течения.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 160300 «Двигатели летательных аппаратов», специальности 160302 «Жидкостные ракетные двигатели», дисциплине «Гидравлика».
Предназначено для студентов очной формы обучения.
Пособие также может быть полезно для студентов машиностроительных и электротехнических специальностей, изучающих дисциплину «Гидравлика».
бл. 6. Ил. 68. Библиогр.: 7 назв.
Научный редактор д-р техн. наук, проф. В.С. Рачук
Рецензенты: ОАО КБХА (нач. отдела д-р техн. наук,
проф. Ю.В. Демьяненко);
д-р техн. наук, проф. А.В. Кретинин
© Скоморохов Г.И., 2011
© Оформление. ФГБОУ ВПО
«Воронежский государственный
технический университет», 2011
Введение
Предмет гидравлики
Гидравлика жидкостных ракетных двигателей
Методы гидравлики и гидромеханики
Исторический обзор развития гидравлики и механики
жидкости
Предмет гидравлики. Исторически механика жидкости выросла из двух отраслей научного знания: эмпирической гидравлики и классической (теоретической) гидромеханики, построенной на точном математическом анализе течения сплошной жидкой среды. Эти две науки имели один и тот же объект изучения – законы равновесия и движения жидкости, но методы их, так же как и задачи, были различными. В настоящее время в гидравлике все больше применяют методы теоретической гидромеханики, а теоретическая гидромеханика все чаще начинает прибегать к эксперименту как к критерию достоверности своих выводов. Таким образом, различие в методах этих двух направлений одной и той же науки постепенно исчезает. Указанные дисциплины наряду с аэродинамикой и газовой динамикой в настоящее время могут рассматриваться как разделы единой науки - механики жидкости.
В гидравлике термину «жидкость» придается более широкое значение, чем в обыденной жизни. В понятие «жидкость» включают все тела, которые обладают свойством текучести, т.е. способностью сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как капельные жидкости, так и газы.
Важной особенностью капельных жидкостей является то, что они ничтожно мало изменяют свой объем при изменении давления, поэтому их обычно считают несжимаемыми. Газы, наоборот, могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно расширяться при отсутствии давления, т.е. они обладают большой сжимаемостью.
Гидравлика– наука о законах равновесия и движения жидкости и способах применения этих законов для решения практических задач.
В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные твердыми стенками, т.е. течения в открытых и закрытых каналах. Например, русла рек, различные трубопроводы, насадки, элементы гидромашин и других устройств, внутри которых протекает жидкость. Таким образом, в гидравлике изучают в основном внутренние течения жидкостей и решают так называемую внутреннюю задачу.
Внешняя задача связана с обтеканием тел сплошной средой, которое имеет место при движении твердого тела в жидкости или газе (воздухе). Внешнюю задачу рассматривают в аэродинамике в связи с потребностями авиации (теория крыла, динамика полета) и судостроения.
В современной гидравлике метод исследования движения жидкости заключается в следующем. Исследуемые явления сначала упрощают и к ним применяют законы механики. Затем полученные результаты сравнивают с данными опытов, выясняют степень расхождения, уточняют и исправляют теоретические выводы и формулы для практического их использования. Явления, которые из-за сложности крайне трудно поддаются теоретическому анализу, исследуют экспериментальным путем, а результаты представляют в виде эмпирических формул.
Само слово «гидравлика» произошло от двух греческих слов. Первое слово «хюдор» значит вода, а второе слово «аулос» - труба, канал, струя. Как видно, ранее считали, что гидравлика занимается изучением движения или покоя только воды. В настоящее время объектом изучения в гидравлике является любая жидкость.
Естественно, рассматривая предмет гидравлики, мы должны коснуться вопроса – что дает гидравлика для практики.
Гидравлика дает методы расчета и проектирования разнообразных гидротехнических сооружений (плотин, каналов, водосливов, трубопроводов для подачи всевозможных жидкостей), гидромашин (насосов, гидротурбин, гидропередач), а также других гидравлических устройств, применяемых во многих областях техники.
Особенно велико значение гидравлики в машиностроении, где приходится иметь дело с напорными течениями в трубопроводах, т.е. с потоками без свободной поверхности и с давлением, отличным от атмосферного. Гидросистемы, состоящие из насосов, трубопроводов, различных гидроагрегатов широко используют в машиностроении в качестве систем жидкостного охлаждения, топливоподачи, смазочных и др.
Ни одна современная машина не мыслима без оснащения ее гидромашинами. Гидромашины - устройства для преобразования гидравлической энергии в механическую и наоборот (насосы, гидромоторы, турбины). По сравнению с передачами других видов (зубчатыми, электрическими и т.п.) гидромашины имеют ряд существенных преимуществ:
- простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное;
- возможность плавного (бесступенчатого) изменения соотношения скоростей входного и выходного звеньев;
- компактность конструкций и малая масса гидромашин при заданной мощности по сравнению, например, с электромашинами и др.
Гидромашины и различного рода гидравлические устройства образуют отдельный тип приводов - гидропривод. Благодаря перечисленным преимуществам гидропривод широко используют в различных металлообрабатывающих станках, на летательных аппаратах (самолетах, вертолетах, ракетах), на сухопутных транспортных машинах (колесных, гусеничных), в строительно-дорожных и подъемно-транспортных машинах, в прокатных станах и прессах, спасательном оборудовании МЧС и т.п.
Гидроприводы, гидроавтоматика и различные гидравлические устройства являются весьма перспективными элементами для автоматизации и механизации производства. Знания в области гидравлики, теории гидромашин и гидропривода необходимы инженеру для расчета, проектирования и эксплуатации гидроприводов, систем автоматического регулирования и других устройств с гидромашинами и гидроавтоматикой.
Гидравлика является инженерной дисциплиной, так как ее выводы направлены на решение технических задач. Это - одна из наук, составляющих фундамент инженерных знаний.
Гидравлика жидкостных ракетных двигателей. Развитие авиации и ракетной техники поставили перед механикой жидкости и газа целый ряд принципиально новых задач:
- движения тел сквозь атмосферу со сверхзвуковыми и гиперзвуковыми (космическими) скоростями;
- движение газов в камерах сгорания и соплах двигателей.
Исследования в области движения газов с большими скоростями привело к возникновению газовой динамики.
Кроме того, работа ракетных двигателей сопровождается сверхвысокими температурами. Это вызывает в газах сложные физические процессы, например:
- диссоциацию и ионизацию газа;
- явления, связанные с разреженностью атмосферы на больших высотах полета;
- разрушение (плавление и испарение) твердой поверхности обтекаемого газом тела;
- излучение тепла поверхностью тела и самим газом;
- движения реагирующих между собой смесей газов (например, при горении) и многими другими физическими и химическими процессами.
Решение этих задач послужило основанием к созданию новой дисциплины - аэротермодинамики. Онаобъединяет механику и термодинамику газа, движущегося с большими скоростями.
Магнитная гидродинамика – еще один раздел механики жидкости. При использовании потоков ионизированного газа (плазмы) для непосредственного превращения тепла в электрическую энергию в магнитогидродинамическом генераторе необходимо рассматривать взаимодействие движущегося газа не только с твердыми телами, но и с электрическими и магнитными полями.
Все сказанное о газе относится, хотя и в несколько меньшей степени, и к жидкостям. В настоящее время жидкости широко используются в различных отраслях промышленности:
- как носители тепла в атомной энергетике;
- процессы тепломассопереноса в жидкостях лежат в основе многих химических производств;
- металлургия с успехом применяет магнитную гидродинамику для управления потоками жидких металлов в процессах плавки и др.
Вот почему предмет механика жидкости и газа нельзя сводить к одному механическомудвижению и механическому взаимодействиюих с твердыми телами. Механические движения сопровождаются общими движениями материи - сложными физическими процессами, которые следует иметь в виду. Эти процессы во многих практических задачах играют главную роль,оставляя механическим движениям вспомогательное, подчиненное значение.
В ракетно-космической технике с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) до 85% массы летательного аппарата составляет жидкое топливо. Двигательная установка с ЖРД включает систему подачи компонентов топлива и камеру сгорания двигателя. В свою очередь систему подачи можно разделить на три основные части.
1. Агрегаты для создания давления и подачи компонентов.
2. Система агрегатов и трубопроводов, обеспечивающих запуск, останов и работу двигателя. В общем случае такая система включает гидро-, пневмо-, пиро- и электроческие приводы. Электрические и пиротехнические приводы используются в основном в системах управления ДУ с ЖРД.
3. Топливные баки горючего - «Г» и окислителя – «О».
Основным агрегатом насосной системы подачи компонентов топлива является турбонасосный агрегат (ТНА). С помощью ТНА в ЖРД осуществляется подача топлива по гидравлическим магистралям в камеру сгорания и системы гидроавтоматики. Главными элементами ТНА являются насосы, подающие компоненты с заданным давлением и турбина, рабочим телом которой является газ, вырабатываемый в газогенераторе. Расчеты, проводимые при проектировании ТНА, можно разделить на гидравлические (для насосов и магистралей топлива), газодинамические (для турбин) и прочностные.
Таким образом, при проектировании двигательной установки гидравлические расчеты занимают значительное место и являются основополагающими для принятия решения о конструктивном исполнении жидкостного ракетного двигателя.
На рисунке В.1 изображена пневмогидравлическая схема ЖРД с турбонасосной подачей горючего и окислителя. Турбонасосная система питания включает в себя баки окислителя (1) и горючего (2), выходы (16 и 17) из баков в трубопроводы (19, 20), мембраны принудительного прорыва (3,4), насосы окислителя (6) и горючего (5), газогенератор (7), регулятор тяги (8), регулятор соотношения компонентов (10), рубашку охлаждения (9), форсунки горючего (11) и окислителя (12), турбины (13), колена (14,15), тройник (18).
Д ля подачи горючего и окислителя на вход в насосы в топливные баки подается под давлением нейтральный газ.
Г
Схема жидкостного ракетного двигателя
орючее подается насосом (5) через рубашку охлаждения (9) и форсунки (11) в камеру сгорания. Часть горючего после насоса (5) в газогенератор (7), в который поступает весь окислитель из насоса (6). Газогенератор (7) вырабатывает рабочее тело для турбины (13). После турбины рабочее тело, обладающее свойствами окислителя поступает в камеру сгорания через форсунки (12).