بخشی از مقاله
چکیده
موتور پیشران مایع، موتوری است که عمل احتراق شیمیایی در آن با استفاده از یک یا چند ماده اکسیدکننده و احیا شونده مایع،انجام می پذیرد. اکثر موشک هایی که از آن ها در پروازهای فضایی استفاده می شود، از سوخت پیشران مایع بهره می برند. سوخت واکسنده که در مخزن های جداگانه ای نگهداری می شوند، هر دو مایع هستند. پمپ های قدرتمندی آن ها را به محفظه احتراق می برند، درآنجا آن ها باهم ترکیب شده ، شروع به تولید گازهای خروجی می کنند. به تعبیری می توان توربوپمپ را قلب یک موتور پیشران مایع دانست. برای هر یک از اکسیدکننده و سوخت، توربوپمپ های جداگانه ای به کار می رود. کاویتاسیون در لغت از کلمه Cavity به معنای حفره آمده و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره زائی است. در صورت وقوع این پدیده یکی از خسارات آن ایجاد خوردگی و حفره بر روی بدنه پروانه و پوسته پمپ است. در زمان حرکت پره ها مناطقی با افت فشار کم تشکیل می شوند به طوری که سیال در اطراف شتاب گرفته و پره ها به عقب رانده می شوند. حرکت سریع تر پره ها باعث ایجاد افت فشار کمتری در اطراف می شود. با رسیدن به فشار بخار، سیال تبخیر شده و حباب های کوچک گازی تشکیل می شود این پدیده همان پدیده کاویتاسیون است.
-1 مقدمه
علوم و صنایع هوا فضایی امروزه به عنوان یکی از شاخص های اصلی جهت ارزیابی سطح علم و فن آوری هر کشور در زمینه های آموزشی، تحقیقاتی و صنعتی محسوب می شوند و نقش حساسی از نظرامنیتی و راهبردی ایفا می کنند. در این راستا به دلیل اهمیت بالای موشک های سوخت مایع در صنایع هوافضایی، مطالعات وسیع وگسترده ای در این زمینه در بخش ها و اجزا مختلف این صنعت ازجمله توربوپمپ های سوخت مایع در سرتا سر دنیا انجام شده است .این بخش با اتصال شفت به توربین با سرعت بسیار بالا به دوران درآمده و دارای توازن دینامیکی و استاتیکی بسیار دقیق، مقاومت سازهای بسیار بالا متناسب با شرایط کار می باشد و از بیشترین اهمیت وحساسیت نسبت به سایر اجزا موتور راکت برخوردار می باشند.[4]
-2 سیستم تغذیه در موتور سوخت مایع
سیستم های مختلفی برای تغذیه محفظه احتراق و انتقال سوخت واکسید کننده به داخل محفظه احتراق وجود دارد . این سیستم ها سوخت و اکسید کننده را با فشار و دبی معین در زمان مناسب به داخل محفظه احتراق هدایت کرده، نسبت دبی اکسید کننده به سوخت را تنظیم و تثبیت نموده، بر اساس سیستم های کنترلی مورداستفاده عمل می کنند و در صورت بروز هر گونه اغتشاش و مشکل سریعا آن را خنثی نموده و پارامترها را دوباره به حالت نامی برگردانده و هر گونه کنترل لازم را برای عملکرد مناسب موتور راانجام می دهند. سیستم های فشار گذاری در موشک های سوخت مایع به منظور تحت فشار قرار دادن سوخت و اکسید کننده جهت انتقال آن ها با دبی و فشار لازم به محفظه احتراق و تامین شرایط کاری بهینه پمپ ها و همچنین استحکام سازه مخازن مورد نیاز می باشند. در هر موشک سوخت مایع یک سیستم تغذیه فشاری جهت تحت فشار قرار دادن سوخت و اکسید کننده به منظور انتقال آن ها با دبی و فشار لازم به محفظه احتراق و تامین شرایط کاری بهینه پمپ ها جهت جلوگیری از پدیده کاویتاسیون و همچنین استحکام سازه مخازن مورد نیاز است. سیستم های تغذیه پیشران به محفظه احتراق موتور به دو نوع سیستم تغذیه تحت فشار و سیستم تغذیه توربوپمپ دار تقسیم بندی می شود.[2]
-1-2 سامانه تغذیه فشاری - دمشی محض -
در این حالت، فشار محفظه به وسیله ی گاز فشرده ای که به مخازن سوخت و اکسیدکننده تزریق می گردد، تأمین می شود، به طوری که سیال با این فشار بتواند فشار لازم محفظه و همچنین افت فشار در مسیرهای تغذیه را فراهم کند. بنابراین فشار مخازن بیش از فشار محفظه احتراق است شکل.1در موتورهایی با سامانه ی تغذیه فشاری، فشار محفظه به طور مستقیم متأثر از فشار مخازن است؛ به طوری که افزایش یا کاهش فشار مخازن، به طور مستقیم منجر به بالا یا پایین رفتن فشار محفظه می گردد.[1]
شکل -1 شماتیک سامانه تغذیه فشاری [4]
-2-2 سامانه تغذیه توربوپمپی
به دلایل گوناگون از جمله افزایش ضخامت بدنه مخزن و سنگین شدن سامانه های پیشران همواره نمی توان از سامانه ی فشاری بهره برد. برای این منظور افزایش فشار مؤلفه های خروجی از مخازن را به عهده پمپ ها قرار می دهند. در تزریق به وسیله پمپ، فشار بالا بعد از مخازن و به طور مستقیم قبل از محفظه تولید و مسیر فشار بالا تا حد امکان کوتاه می شود. در این سامانه، مخازن تحت یک فشار جزئی قرار می گیرند تا حداقل فشار موردنیاز - جلوگیری از کاویتاسیون - در ورودی پمپ ها را ایجاد کند. بنابراین درسامانه تغذیه توربوپمپی شکل 2 ، از سامانه ی فشارگذاری مخازن تنها به عنوان یک ساختار کمکی استفاده می شود و مأموریت اصلی تغذیه، به عهده ی پمپ هاست.
شکل -2 شماتیک سامانه تغذیه توربوپمپی[4]
به طور کلی فشارگذاری مخازن پیشران در موشک های با سامانه تغذیه توربوپمپ دار در موارد زیر ضروری می باشد: -1 تأمین کار بدون بروز پدیده کاویتاسیون پمپ ها در تمام رژیم های کاری موتورسوخت مایع -2 رفع افت فشار در مخازن در لحظه استارت موتور
-3 افزایش استحکام مخازن در صورت وارد شدن بارهای انقباضی محوری بر آن ها در حین پرواز در فاز فعال موشک لازم به ذکر است که جهت تأمین کار بدون کاویتاسیون پمپ ها لازم است که فشار سیال در ورودی پمپ ها بیشتر ازفشار بخار اشباع سیال باشد. هرچقدر که دبی ترکیبات پیشران و تعداد دورهای پمپ بیشتر شود این برتری نیز افزایش می یابد. برخی از موتورهای پیشران مایع کوچک تر - که البته در صنعت فضایی کاربرد ندارند - ، پیشرانها با همان فشار پشتدستی مخازن به داخل محفظه احتراق تزریق میشوند و نیازی به توربوپمپ نیست. در موتورهای پیشران مایع که در مراحل بالایی پرتابگرها استفاده میشوند و همچنین در موتورهای پیشران مایع فضایی، که در ماهوارهها و فضاپیماها برای کنترل و تغییر مسیر استفاده می شوند، نیز به دلیل فشار کمتر محفظه احتراق، در بسیاری موارد توربوپمپ وجود نداشته و سامانه با فشار پشتدستی محفظههای پیشران کار میکند. به لحاظ مهندسی اگر فشار محفظه احتراق کمتر از 30 بار باشد، استفاده از توربوپمپ توجیهی ندارد.
