Бак для хранения рабочего вещества

Бак для хранения рабочего вещества

Баки с рабочим веществом по размерам и массе составляют наибольшую часть двигательной установки. Требования к материалу и конструкции бака определяются видом выбранного рабочего вещества и схемой системы подачи.

Основные требования к бакам:

·  малая масса,

·  прочность,

·  герметичность,

·  коррозийная стойкость,

·  совместимость с выбранным рабочим веществом.

В зависимости от способа подачи рабочего вещества баки разделяют на два основных типа: нагруженные, то есть баки, которые при работе находятся под высоким давлением; разгруженные, то есть баки, не находящиеся под высоким давлением при работе движителя; их используют при насосной подаче рабочего вещества.

Форма бака определяется условиями компоновки. Сферический бак имеет минимальную массу, но плохо компонуется, поэтому часто рациональная форма выбирается исходя из условий компоновки.

Простейшую конструкцию представляет собой бак для хранения газообразного рабочего тела – это емкость (возьмем для простоты сферической формы), оснащенная предохранительным клапаном и заправочной горловиной.

Баки для хранения газообразного рабочего тела – это нагруженные баки, то есть при работе они находятся под высоким давлением (давление в баке газообразной СХП – обычно составляет десятки МПа).

Менее это нагружены баки для хранения жидкостного рабочего тела - при работе они находятся под давлением в единицы МПа.

В жидкостных СХП наиболее распространенной является вытеснительная система подачи. В этом случае внутренняя полость бака разделена на вытеснительную и рабочую полости. В качестве разделителя может быть сильфон, эластичный мешок из полимерного материала, металлическая мембрана, поршень.

Недостатком сильфонного бака является относительно большая масса и возможность перекоса и заклинивания сильфона при движении; кроме того, сильфон сложен в изготовлении.

Отметим сразу, что поршневые вытеснительные системы из-за сложности конструкции и низкой надежности в системах хранения и подачи рабочих веществ для двигателей малых тяг в настоящее время не используют.

Широко применяются баки с металлической диафрагмой и с эластичным мешком. Однако в случае с эластичным мешком при длительном контакте с рабочим веществом и вытеснителем возможна проницаемость сквозь мешок. Для уменьшения проницаемости применяется дублирование материала мешка алюминиевой фольгой. В качестве вытеснителя используются летучие жидкости: пропан, метан, аммиак и другие, применение которых привлекательно тем, что поддержание заданного давления в баке осуществляется только поддержанием температуры на линии насыщения паров данной жидкости при заданном давлении.

Наиболее применяемое в ЭРД (конкретно в электротермических движителях) жидкостное рабочее тело - аммиак (NH₃) - относится к двухфазным рабочим телам. В баке в пространстве над жидким аммиаком постоянно находятся его пары, которые и обеспечивают требуемое избыточное давление в баке. Пары аммиака выполняют роль вытеснителя используются жидкого аммиака.

Поддержание заданного давления в баке осуществляется только поддержанием температуры на линии насыщения паров аммиака при заданном давлении. Это регулируется с помощью нагревателя бака.

Особое место занимают вытеснительные системы с разделительными устройствами, основанными на использовании сил поверхностного натяжения. Они характеризуются малой массой, высокой эффективностью вытеснения, хорошей совместимостью с рабочим веществом и могут применяться в баках любой формы. Их называют контактными системами. С простейшей конструкцией такой системы вы можете познакомиться в учебном пособии № 86, которое называется "Системы подачи рабочих веществ электрореактивных движителей", авторы Н.В.Белан, В.Н.Коровкин, Н.А.Масленников и др.

При выборе материала бака кроме прочности и технологичности учитывается совместимость рабочего тела с материалом бака. Для аммиака, например, применяются высоколегированные нержавеющие стали типа ЭИ-654, титан. Получают распространение в настоящее время баки из композитных материалов. Они обладают высокой прочностью и жесткостью и позволяют уменьшить массу их по сравнению с цельнометаллическими баками. Корпус такого бака представляет собой комбинированную оболочку, состоящую из внутренней металлической стенки, промежуточного соединительного слоя, например из резины, и пластиковой силовой оболочки.

Силовая оболочка образуется намоткой на металлическую основу армирующей ленты с эпоксидным связующим горячего отвердения.

Расчет проектных параметров бака для хранения газообразного рабочего вещества

Тяга, как вы помните, определяется как

, массовый расход рабочего тела:

.

Тогда полный запас рабочего тела

.                                           (17.1)

С учетом коэффициента запаса рабочего тела  (=1,02 - 1,05)

.                                       (17.2)

Масса заправленного газом бака равна

,                                    (17.3)

,                                 (17.4)

-толщина стенки бака.

Для сферического бака .

Напряжения, возникающие в стенках бака из-за давления , определяются по формуле

.                                (17.5)

Если газ при заправке находился под давлением  и температуре , то уравнение состояния газа в этом случае запишется

.                                          (17.6)

Если изменились условия хранения газа в баке (например,  выросло до ), то уравнение состояния газа примет вид

.                                    (17.7)

Отсюда  и находим .

Максимальные напряжения, возникающие в стенках бака, как вы помните

.

Выбрав материал бака (зная ), вычисляем минимальную толщину стенки бака

.                                               (17.8)

Масса конструкции бака равна

.

.                                    (17.9)

.                                         (17.9а)

Объем сферического бака равен , тогда

.                (17.10)

Если учесть, что , то получим

.       (117.1)

Вспомним записанное ранее

, тогда

или

.

Масса заправленного бака равна

.   (17.12)

Величина  называется коэффициентом складирования. Этот коэффициент показывает, во сколько раз масса заправленного бака больше массы рабочего тела.

Как видно из последней формулы, величина  не зависит от массы рабочего тела, а зависит от параметров и свойств материала бака (прочности и плотности). Лучшей конструкцией бака считается такая, у которой .

Расчет бака для хранения газообразного рабочего тела сводится к определению минимальной толщины стенки бака при условии, что выбрана форма бака и материал, из которого он изготавливается.

Величину максимальной температуры  можно определить следующим образом.

К примеру, имеем сферический бак с каким-либо рабочим газом. В условиях космического пространства этот бак может разогреваться до  за счет потока энергии солнечных лучей ( @ 1,4 кВт/м²). Охлаждение бака происходит исключительно за счет излучения .  - температура космического пространства. Принято, что . При расчете учтем, что в сбросе тепла участвует вся поверхность бака , в то время, как солнечные лучи греют .

Тогда можно записать

или

,

                             (17.13)

откуда и находим .