9. Схемы жрд с насосной подачей топлива

9.1. Основные особенности схем

В схемах ЖРД с насосной подачей компоненты топлива подаются из баков в камеру центробежными насосами, приводимыми во вращение турбиной, которые вместе составляют ТНА. Привод турбины осуществляется рабочим телом – генераторным газом. В большинстве случаев генераторный газ вырабатывается в специальной камере – ЖГГ, входящем в состав двигателя.

Основной особенностью всех схем с турбонасосной подачей компонентов топлива является то, что топливные баки во время работы двигателя находятся лишь под небольшим избыточным давлением наддува, необходимым для обеспечения бескавитационной работы насосов и не зависящим от значения давления в камере сгорания. Благодаря этому массовые характеристики баков и систем наддува практически также не зависят от давления в камере.

Вместе с тем стремление повышать давление в камере сгорания вполне обосновано. Рост Р_к, с одной стороны, позволяет увеличивать экономичность двигателя, т.е. повышать удельный импульс тяги путем увеличения степени расширения газов в сопле Р_к/Р_а, причем для двигателей первой ступени РН увеличение Р_к – единственный способ повышения Р_к/Р_а, так как давление на срезе сопла Р_а ограничено средним по траектории атмосферным давлением и выбирается примерно равным Р_а=(0,4...0,6)·10⁵Па.

С другой стороны, с ростом Р_к уменьшаются продольные и поперечные размеры двигателя.

На рис. 9.1 представлены контуры двух двигателей с одинаковыми тягой и давлением на срезе, но с разным Р_к. Как видно, контур двигателя с большим Р_к и, естественно, большей степенью расширения Р_к/Р_а полностью вписывается в контур двигателя с меньшим Р_к и меньшей степенью расширения.

Рис. 9.1. Газодинамические контуры камер сгорания двигателей с одинаковыми значениями тяг в пустоте и давления на срезе, но разными давлениями в камере сгорания

Таким образом, при насосной подаче с повышенным Р_к массовые характеристики ЛА в отличие от ЛА с двигателями с вытеснительной подачей ухудшаться не будут. Тем не менее ограничения на выбор значения целесообразного давления в камере сгорания имеют место и при насосной подаче. Однако здесь в отличие от вытеснительной подачи ограничения вызываются другими специфическими обстоятельствами, определяемыми видом насосной схемы подачи, разновидностей которых очень много.

На рис. 9.2. приведена общая классификация ЖРД с насосными системами подачи топлива. Кроме приведенных на рис. 9.2 особенностей – признаков классификации различных насосных схем двигателей много. Последние классифицируются еще и по другим признакам, например по виду генераторного газа (окислительный или восстановительный), охлаждающему компоненту (окислитель или горючее или используются оба компонента), числу камер и т.д. Последний признак – число камер – имеет большое значение. В этом отношении двигатели классифицируются на однокамерные, многокамерные и блочные многокамерные.

Многокамерные отличаются тем, что имеют один ТНА, от которого питаются все камеры. Причем камеры могут иметь разную тягу. Блочные многокамерные состоят из нескольких автономных одно- или многокамерных двигателей, объединенных общей рамой и системой управления. Наконец, имеются однокамерные двигатели, но с двумя ТНА – ТНА подачи окислителя и ТНА подачи горючего; есть двигатели, которые кроме основного ТНА имеют еще дополнительный – вспомогательный или бустерный ТНА (для уменьшения массы топливных баков).

Рис.9.2. Общая классификация двигателей с турбонасосной подачей топлива

Одной из основных видов классификации двигателей с турбонасосной подачей топлива является выполнение двигателей по схемам без дожигания (рис 9.3, а) и с дожиганием продуктов газогенерации в камере двигателя (рис. 9.3, б).

В схеме двигателя без дожигания генераторного газа продукты газогенерации после турбины выбрасываются в атмосферу, например, через рулевые сопла, при соотношении компонентов топлива существенно отличающихся от оптимального значения и общий удельный импульс тяги двигателя составляет ~ 2900 м/c (для кислородно-керосинового двигателя).

В схеме с дожиганием генераторного газа продукты газогенерации после турбины дожигаются в камере сгорания двигателя и удельный импульс тяги двигателя на ~ 15 % получается выше, чем в двигателях без дожигания генераторного газа.

а ) б)

Рис. 9.3. Схемы двигателя с насосной системой подачи

без дожигания (а) и с дожиганием (б) продуктов газогенерации:

1 – камера сгорания; 2 – газовод; 3 – турбина; 4 – насос окислителя;

5 – насос горючего; 6 – генераторный насос горючего; 7 - газогенератор