Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Исследование функционирования элементов заправочной системы при заправке ракет и космических аппаратов

Методические указания к выполнению лабораторных работ
Покупка
Новинка
Артикул: 837005.01.99
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину
Приведены материалы для исследования работы модели насосной системы заправки ракеты или космического аппарата, экспериментального определения характеристик центробежного насоса при индивидуальном включении, а также при параллельном и последовательном включении насосов. При выполнении работы студенты самостоятельно проводят определение кавитационных характеристик насоса, получают навыки статистической обработки результатов измерений. Предложены контрольные вопросы. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальностям «Заправочно-нейтрализационное оборудование, системы термостатирования и газоснабжения технических и стартовых комплексов», «Эксплуатация стартовых и технических комплексов», «Технологическое оборудование технических комплексов».
Кобызев, С. В. Исследование функционирования элементов заправочной системы при заправке ракет и космических аппаратов : методические указания к выполнению лабораторных работ / С. В. Кобызев. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2017. - 36 с. - ISBN 978-5-7038-4691-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160492 (дата обращения: 25.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
С.В. Кобызев

Исследование 

функционирования элементов 

заправочной системы 

при заправке ракет 

и космических аппаратов

Методические указания  

к выполнению лабораторных работ

УДК 629.76 
ББК 39.62
          К55

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/267/book1664.html

Факультет «Специальное машиностроение» 
Кафедра «Стартовые ракетные комплексы»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Рецензенты:
канд. техн. наук М.Е. Комов, 
канд. техн. наук, доцент Ю.Ю. Инфимовский

Кобызев, С. В.
Исследование функционирования элементов заправочной системы при заправке ракет и космических аппаратов. Методические 
указания к выполнению лабораторных работ / С. В. Кобызев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 31, [5] с. : ил.

        ISBN 978-5-7038-4691-9

Приведены материалы для исследования работы модели насосной 
системы заправки ракеты или космического аппарата, экспериментального определения характеристик центробежного насоса при индивидуальном включении, а также при параллельном и последовательном 
включении насосов. При выполнении работы студенты самостоятельно 
проводят определение кавитационных характеристик насоса, получают 
навыки статистической обработки результатов измерений. Предложены контрольные вопросы.

Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальностям «Заправочно-нейтрализационное оборудование, системы 
термостатирования и газоснабжения технических и стартовых комплексов», «Эксплуатация стартовых и технических комплексов», «Технологическое оборудование технических комплексов».

УДК 629.76 
ББК 39.62

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

 
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-4691-9 
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

К55

Предисловие

Среди операций предстартовой подготовки ракет-носителей к 
запуску обязательной и одной из самых трудоемких и опасных является операция заправки баков ракеты-носителя компонентами 
жидкого ракетного топлива. В большинстве современных носителей для этого применяют насосную подачу компонентов. При выполнении операции заправки требуются теоретические и практические навыки работы с центробежными насосами для специалистов, 
занимающихся проектированием и эксплуатацией комплексов наземного технологического оборудования. В данном издании приведены указания к выполнению практических работ по дисциплинам 
«Проектирование систем заправки ракет», «Запра вочные станции 
космических аппаратов и разгонных блоков». Эти работы проводятся на примере центробежных насосов, моделирующих реальную 
работу заправочной системы ракеты-носителя.
Цели лабораторной работы — экспериментальное определение нормальной и кавитационной характеристик центробежного 
насоса со ступенчатым регулированием, характеристик насосной 
установки при последовательном и параллельном включении насосов, а также получение навыков статистической обработки результатов экспериментов.
После выполнения лабораторной работы студенты смогут:
– самостоятельно запускать экспериментальную установку;
– самостоятельно выполнять калибровку датчиков установки;
– проводить эксперименты на лабораторном стенде с использованием специализированного программного обеспечения 
PUMP;

– выполнять экспериментальные исследования нормальной 

характеристики индивидуального центробежного насоса и исследование характеристики насосной установки при параллельном и 
последовательном включении центробежных насосов;

– проводить кавитационные испытания центробежного насоса;
– осуществлять статистическую обработку результатов измерений и оценку их точности.

Студенты допускаются к выполнению лабораторной работы в 
соответствии с графиком проведения лабораторных работ, утвержденным на кафедре. Перед началом лабораторной работы проводится инструктаж по технике безопасности. 
Максимальная оценка за лабораторную работу — 3 балла. Работа считается защищенной, если за нее начисляется больше двух 
баллов. Один балл начисляется за своевременность защиты лабораторной работы. Первый и второй модули лабораторного практикума включают по две работы. 
Лабораторные работы оцениваются следующим образом:
3 балла — работа выполнена и защищена в соответствии с графиком; хорошее качество (конспект с небольшими неточностями, 
но аккуратный!) предварительно подготовленного конспекта и итогового отчета о лабораторной работе после ее выполнения; полный 
и правильный ответ на вопросы, задаваемые на защите работы;
2 балла — работа выполнена и защищена с нарушением графика и (или) качество предварительно подготовленного конспекта и 
итогового отчета после ее выполнения удовлетворительные (отчет 
неполный, неаккуратный); неполные, но правильные по сути ответы на вопросы, задаваемые на защите работы;
1 балл — работа выполнена со значительным нарушением 
графика; предварительно подготовленный конспект и итоговый 
отчет после ее выполнения не являются полными, аккуратными, 
содержат значительные неточности; неполные, со значительными 
неточностями ответы на вопросы, задаваемые на защите работы, 
работа не защищена;
0 баллов — работа не выполнена и не защищена; отсутствует 
предварительно подготовленный конспект или итоговый отчет 
после ее выполнения; нет ответов на вопросы, задаваемые на защите работы, либо эти ответы к делу не относятся.

1. Основные теоретические сведения

При организации заправки ракет и космических аппаратов 
обычно применяют следующие системы подачи компонентов 
жидкого ракетного топлива: 

– насосные, реализуемые преимущественно с помощью центробежных насосов;

– вытеснительные, в которых осуществляется наддув рабочей 

емкости до требуемого давления;

– самотечные, с подачей компонента за счет перепада высот 

между рабочей емкостью и потребителем.
В данной лабораторной работе студенты выполняют исследование насосной системы подачи компонентов ракетного топлива 
(КРТ) с использованием центробежных насосов.
В реальной заправочной системе выбор способа подачи компонента при проектировании системы ведется на основе комплексного учета достоинств и недостатков, присущих известным 
методам подачи. 
Насосный способ подачи предпочитают в следующих случаях:
– при сравнительно больших заправляемых дозах (обычно при 

дозах больше 1000 кг; однако существующие заправочные станции 
космических аппаратов и разгонных блоков используют для перекачивания компонентов между емкостью дозатора и потребителем 
вытеснительный способ при дозах до 15 000 кг);

– при необходимости перекачивания компонентов, подготовленных по газовому содержанию;

– при высоких требуемых расходах (до 1000 м3/ч).
Особенности системы заправки с насосной подачей исследуют 
в экспериментах на лабораторном стенде.

1.1. Краткая сравнительная характеристика энергетических  
блоков заправочных систем ракет, космических аппаратов  
и разгонных блоков

Конфигурацию энергетического блока заправочной системы 
выбирают путем сравнения возможных вариантов при учете функционального назначения заправочной системы, перечня выполняемых операций при условии обеспечения безопасного выпол
нения работ и требований к экологической чистоте выполняемых 
операций.
К достоинствам насосных систем подачи относят:
– простоту создания больших напоров КРТ, в том числе благодаря последовательной установке насосов, что существенно при 
заправке крупных носителей;

– возможность создания расходов до 1000 м3/ч с использованием одного насоса и возможностью параллельной установки таких насосов;

– возможность регулирования расхода и напора при работе насоса;
– относительную компактность насосного блока в целом;
– малое давление наддува расходной емкости, что позволяет 

снизить ее металлоемкость и уменьшает нагрузку на систему нейтрализации;

– возможность закольцовки газовых полостей расходной емкости и емкости потребителя, что важно при перекачивании токсичных и агрессивных компонентов;

– возможность использования полностью герметичных конструкций насосов.
Однако выбор конфигурации энергетического блока заправочной системы в части способа подачи может быть решен не в пользу 
насосного варианта. Это связно с известными недостатками насос- 
ного способа подачи продукта:

– сложностью процедуры запуска насосов в работу;
– возможностью отказа насоса при запуске или в процессе выполнения операции заправки;

– необходимостью резервирования насосов;
– необходимостью использования герметичных насосов при 

работе на агрессивных и токсичных компонентах при ограниченном ряде таких насосов;

– сложностью обеспечения герметичности насосов в исполнении 

с отдельным электродвигателем, непригодность для требуемых в ракетной технике расходов и напоров насосов с магнитными муфтами;

– определенными сложностями при организации повторного 

включения насосов и необходимости пополнения баков потребителя;

– значительным энергопотреблением насосного блока в целом.
В составе энергетических блоков заправочных систем космодромов как на заправочных станциях космических аппаратов и 
разгонных блоков, так и на стартовых комплексах ракет-носителей для выполнения основных операций применяют в основном 
центробежные насосы. Объемные и струйные насосы обычно на
ходят применение на вспомогательных операциях. Рассмотрим 
основные характеристики центробежных насосов в соответствии с 
ГОСТ 6134–2007 (ИСО 9906:1999) «Насосы динамические. Методы испытаний» [1].

1.2. Характеристики центробежных насосов

Нормальная характеристика центробежного насоса — это зависимость напора насоса, потребляемой насосом мощности и его 
КПД от подачи насоса.
Напор насоса — это энергия, сообщаемая насосом единице 
массы перекачиваемой жидкости. Иначе говоря, напор насоса — 
разность между полными напорами жидкости на выходе из насоса и на входе в него. Напор измеряют в метрах столба жидкости и 
определяют по общей формуле

 
H
z
z
p
g
p
g
V
g
V
g
=
−
+
−
+
−
вых
вх
вых
вх
вых
вх
ρ
ρ

2
2

2
2 ,  
(1.1)

где zвых — высота выходного патрубка насоса от того же основания; zвх — высота входного патрубка насоса от некоторого основания; zвых – zвх — разность высот точки выхода из насоса и точки 
входа в насос, так называемый геометрический напор (в большинстве случаев этой величиной можно пренебречь); pвых — статическое давление на выходе из насоса; pвх — статическое давле
ние на входе в насос; p
g
p
g

вых
вх

ρ
ρ
−
 — разность статических напоров 

на выходе из насоса и входе в него, определяется по разности давлений в этих точках; Vвых — средняя по сечению скорость жидкости на выходе из насоса; Vвх — средняя по сечению скорость жид
кости на входе в насос; V
g
V
g

вых
вх

2
2

2
2
−
 — разность скоростных напоров 

на выходе из насоса и на входе в него; g — ускорение свободного 
падения.
Разность скоростных напоров определяют по диаметрам входных и выходных патрубков насоса и по значению подачи насоса. 
Для насосов типа in-line и других, у которых диаметр входа и выхода одинаковы, данное слагаемое напора равно нулю, и формулу (1.1) можно переписать в виде

H
p
g
p
g
p
g
=
−
=
вых
вх
ρ
ρ
ρ
∆ . 
(1.2)

Потребляемая насосом мощность — это механическая мощность, измеряемая на входном валу насоса, либо электрическая 
мощность, измеряемая на клеммах приводного электродвигателя. 
Во втором случае в полученном значении мощности также учитываются и потери мощности в электродвигателе. Для насосных 
агрегатов, испытываемых в сборе с двигателем (и для всех герметичных насосов), основным методом определения мощности является именно измерение электрической мощности на клеммах 
двигателя, при этом определяемый по мощности коэффициент 
полезного действия (КПД) является КПД насосного агрегата в 
сборе (включает в себя КПД электродвигателя), а не отдельно насоса. Мощность измеряют в ваттах.
Коэффициент полезного действия насоса — отношение полезной мощности (энергия, передаваемая жидкости в единицу времени) к затраченной (потребляемая насосом мощность). КПД насоса 
определяют как

 
η
ρ
=
=
H gQ
N
pQ
N
потр
потр

∆
,  
(1.3)

где H — напор насоса, м; ρ  — плотность жидкости; g — ускорение 
свободного падения; Q — подача насоса, м3/с; ∆ p — разница давлений на входе и выходе насоса. Здесь в числителе — полезная (гидравлическая) мощность насоса, в знаменателе — мощность Nпотр, 
потребляемая насосом (мощность на валу либо мощность, измеряемая на клеммах электродвигателя). КПД современных центробежных насосов может составлять от 20 до 90 %, в зависимости от 
конструкции и размеров насоса.
Подача насоса — количество жидкости, которое насос перекачивает (подает в систему) в единицу времени. В системе СИ подачу измеряют в кубических метрах в секунду (м3/с), в каталогах на  
насосное оборудование размерность подачи может быть приведена в кубических метрах в час (м3/ч) для крупных насосов, литрах в 
секунду (л/с) или литрах в час (л/ч) для малых насосов.
Пример нормальной характеристики центробежного насоса  
(с нанесенной дополнительно общей кавитационной характеристикой) показан на рис. 1.1 [4].

Рис. 1.1. Нормальная и общая кавитационная характеристики  
центробежного насоса

Для крупных насосов нормальную характеристику всегда 
строят при постоянной частоте вращения, значение которой указывают на характеристике. Для малых и герметичных насосов 
измерить частоту вращения бывает невозможно, в таких случаях 
значение частоты вращения на характеристике не указывают.
Зависимость напора насоса от подачи также называют напорной характеристикой насоса, а мощности и КПД от подачи — энергетической характеристикой насоса.
Кавитационная характеристика центробежного насоса может 
быть частной и общей. Частная кавитационная характеристика — 
это зависимость напора насоса от кавитационного запаса на входе 
в насос, построенная при постоянной подаче насоса.
Кавитационный запас ∆h на входе в насос — это превышение 
полного напора на входе в насос над напором насыщенного пара 
рабочей жидкости при данной температуре. Его измеряют в метрах 
столба жидкости и определяют по следующей формуле:

 
∆h
p
g
V
g
p
g
=
+
−
вх.абс
вх
н.п

ρ
ρ

2

2
, 

где рвх.абс — абсолютное (отсчитываемое от абсолютного нуля) давление на входе в насос, Па; Vвх — скорость жидкости на входе в насос, м/с; рн.п — давление насыщенного пара для данной жидкости 
при данной температуре, Па.

Общую кавитационную характеристику получают по совокупности частных. Каждую частную кавитационную характеристику 
строят для фиксированного значения расхода. Для построения общей кавитационной характеристики на каждой частной кавитационной характеристике определяют параметры критического режима, характеризующегося падением напора насоса на 3 % (рис. 1.2). 
Затем находят допускаемый кавитационный запас ∆hд по формуле

 
∆
∆
h
R h
д
кр
=
, 
(1.4)

где R ≈ 1,0...1,3 — коэффициент  кавитационного запаса. Значе- 
ние R должно быть приведено на характеристике насоса.

Рис. 1.2. Общая кавитационная характеристика

Общую кавитационную характеристику насоса строят на нормальной характеристике по дополнительной оси ∆hд как функцию 
подачи насоса. Каждая точка на ней соответствует ∆hд одной частной кавитационной характеристики для каждого фиксированного 
значения расхода (см. рис. 1.1).
В зарубежной литературе вместо величины ∆h используют величину NPSH, которая принципиально ничем не отличается от ∆h 
и также измеряется в метрах столба жидкости. Для малых насосов 
допускается экспериментально определять значение ∆hкр, считая, 
что оно соответствует кавитационному срыву. Внешние признаки 
кавитационного срыва — резкое падение напора насоса, увеличившийся шум работы, падение подачи, высокочастотная вибрация.

1.3. Совместная работа двух насосов

Обычно в насосных станциях и крупных установках насосы рабо
тают совместно, т. е. подают жидкость одному потребителю. Насосы 
могут быть включены в систему последовательно или параллельно.

Доступ онлайн
600 ₽
В корзину