Проектирование плазменно-ионного двигателя (стр. 8 из 10)

Система хранения и подачи состоит из трёх основных частей:

· а) система хранения;

· б) система дросселирования;

· в) система регулирования и распределения.

Система хранения обеспечивает сохранение рабочего вещества в определённом фазовом состоянии с момента заправки в течение всего срока хранения и эксплуатации ДУ в заданных условиях.

Система дросселирования служит для снижения давления рабочего вещества, поступающего из бака, до определённого уровня и поддержания его на этом уровне в заданных пределах.

Система регулирования и распределения предназначена для обеспечения заданного расхода вещества и подачи его в движитель.

Основными элементами системы хранения являются:

· а) бак, представляющий собой ёмкость сферической формы и предназначенный для хранения рабочего вещества;

· б) заправочная горловина – устройство для заправки и слива рабочего вещества;

· в) датчик давления – прибор, контролирующий давление рабочего вещества в баке;

· г) пироклапан отсекает систему хранения от системы подачи до начала эксплуатации.

Система дросселирования включает:

· а) жиклер, предназначенный для понижения давления до заданного значения;

· б) ресивер – промежуточная ёмкость в магистрали подачи, в которой поддерживается давление рабочего вещества на заданном определённом уровне;

· в) электроклапан, поддерживающий предельно допустимое давление в ресивере.

Система регулирования рабочего вещества состоит из следующих элементов:

· а) жиклёров, электроклапанов, и термодросселей, обеспечивающих заданные расходы в элементы движителя;

· б) электроклапана (ЭК3), предназначенного для стравления воздуха перед началом работы двигателя.

Так как в данной работе учитывается резервирование двигателей. то в СХПРТ предусмотрено две системы подачи рабочего тела отдельно для каждого двигателя.

Расчет системы хранения и подачи рабочего вещества проводим по методическому пособию [3].

6.2 Определение основных параметров бака для хранения рабочего вещества

Бак рабочего вещества по своему размеру и массе составляет наибольшую часть движительной установки. Требования к материалу и конструкции бака определяются видом выбранного рабочего вещества и схемой системы подачи.

Основные требования к баку:

а) малая масса;

б) прочность;

в) герметичность;

г) коррозионная стойкость;

д) совместимость с выбранным рабочим веществом.

Запишем уравнение состояния газа, учитывая то, что газ при заправке находился под давлением Р_о и температуре Т_о:

(6.1)

R=8.31 Дж·М/К– универсальная газовая постояння.

Определим из формулы (6.1) объем бака, т.е. объем рабочего тела V_о, приняв значение Р_о=5·10⁶ Па (т.к. не должно превышать критическое давление Р_кр) и Т_о=293 К (температура при нормальных условиях):

Знаяобъем бака, найдем его диаметр d_б:

(6.2)

Если изменились условия хранения газа в баке (т.е. Т_о выросла до Т_max), то уравнение состояния газа примет следующий вид:

Разделив уравнения состояния для двух случаев (Р=Р_max, Т=Т_max и Р=Р_о, Т=Т_о) друг на друга получим:

(6.3)

Величину максимальной температуры Т_maxпримем равную 400 К.

Зная величину Т_max, определяем Р_max:

(6.4)

Па.

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

. (6.5)

Максимальные напряжения будут возникать в стенках бака при Р=Р_max:

(6.6)

Зная [σ] (в качестве материала, из которого изготавливается бак, выбираем титановый сплав ВТ5, для него степень черноты равна 0,63 [3], допускаемое напряжение (условный предел текучести) – [σ]=800 МПа) и учитывая то, что

≤[σ], вычисляем минимальную толщину стенки бака:

, (6.7)

где

- коэффициент запаса.

Для обеспечения достаточной жесткости, чтобы использовать бак, как силовой элемент конструкции СХПРТ, принимаем, с учетом коэффициента запаса прочности

(для сферы), принимаем , тогда

Масса конструкции бака равна:

(6.8)

.

Масса заправленного газом бака равна:

(6.9)

Важной характеристикой для СХПРТ, является коэффициент складирования, который показывает, во сколько раз масса заправленного бака больше массы хранящегося в нём рабочего тела.

Лучшей конструкцией бака считается конструкция, у которой γпринимает наименьшее значение.

Следует учесть то, что в использованных формулах мы пренебрегали изменением объема бака при расширении материала его конструкции при нагревании.

Рассчитанная ёмкость для хранения р.т. имеет следующие конструктивные параметры:

1. Сферическая форма бака;

2. Масса бака

;

3. Масса заправленного бака

;

4. Коэффициент складирования

5. Рабочее тело хранится в газообразном состоянии.

6.3 Расчет проектных параметров ресивера

Ресивер служит для сглаживания пульсаций давления при подаче рабочего тела из бака и стабилизации параметров газа в магистрали.

Из бака газообразное рабочее тело поступает в ресивер. Перед ресивером стоит электроклапан, который при открытии открывает доступ газу в ресивер. Электроклапан открывается в том случае, когда давление газа в ресивере упало ниже установленного значения и открывает доступ газу. Как только давление в ресивере достигнет требуемой величины, электроклапан закрывается. Давление в ресивере устанавливается всегда таким, чтобы оно было всегда выше давления в движителе. Величина P_{рес min} задается системой управления для обеспечения расхода рабочего тела с заданной точностью. Система управления задает работу СХПРТ таким образом, чтобы ΔМ_рес/М_рес<< 1. При постоянном расходе рабочего тела давление в системе все время меняется.

При работе движителя, как правило, необходимо выполнение условия m^•_эд=const.

Масса рабочего тела в ресивере:

. (6.10)

При m^•_эд=const получаем:

(6.11)

Время цикла t_цикла определяется следующим образом. Из технического задания известно общее время работы движительной установки. Электроклапан перед ресивером имеет гарантированное изготовителем число включений и выключений n_вкл, которое, как правило, равно 10000. Учитывая это, получим:

(6.12)

Тогда определим величину ∆М_рес:

(6.13)

Выработка из ресивера рабочего тела α за один цикл составляет:

(6.14)