РД1 Лекции жрд 2017

где m&о , m& г - секундные расходы «О» и «Г» через камеру.

Стехиометрическим соотношением расхода компонентов называется такое минимальное соотношение окислителя и горючего, при котором

полностью сгорает 1 кг горючего.

K min = m& оmin mo m& г

Например:

αok =1 – стехиометрическую смесь - Iy – max

αok <1– топливо содержит избыток «Г»

αok >1 – топливо содержит избыток «О»

Величина αok при заданном Pk определяет молекулярный состав и T

Рисунок 2.4. Влияние α на T и RT При Рк= 10 МПа: для О2 ж + керосин Рисунок 2.4. Зависимость Т и RT от α

продуктов сгорания (см. рисунок 2.4)

21

αok , при которых Tk =max – используется в камерах сгорания

αok , при которых RT=max – используют в турбинах

Двухкомпонентные топлива принято разделять в зависимости от вида

окислителя.

Наиболее широко распространённые топлива приведены в таблице ниже

Параметры некоторых топлив

Характеристика топлив

1 – Обеспечивает наибольший удельный импульс Iy . Экологически

чистое топливо Недостатки: низкая температура кипения, малая плотность.

2 – Обеспечивает достаточно высокий Iy , экологически чистое, смесь паров керосина и O2 - взрывоопасны, склонно к детонационному горению.

3, 4, 5 – Имеют меньший Iy чем 1 и 2, но топливо можно долгое время хранить и держать его в ЛА.

Вид топлив ЖРД влияет на конструкцию и технологию изготовления деталей двигателя, в первую очередь на выбор материалов.

HNO3 → детали из никелевых сплавов и хромоникелевых сталей или алюминия.

При криогенных температурах – охрупчивание конструкционных материалов. Применяют аустенитные стали, алюминий, медь и их сплавы, у которых снижение пластичности при ↓ ↓ Tэк незначительно.

22

2.3. Двигательные установки с ЖРД

Жидкостная ракетная двигательная установка ЖРДУ состоит из одного или нескольких ЖРД, пневмогидравлической системы подачи топлива и вспомогательных устройств.

Системы подачи и вспомогательные системы

Для работы ЖРДУ необходимо предусмотреть: возможность заправки топливных баков, проверки работоспособности агрегатов перед запуском, подачи компонентов топлива в заданном соотношении и при определенном давлении в камеру сгорания и т.д. Эти задачи выполняются в ЖРДУ при помощи соответствующих систем.

Система – совокупность устройств, выполняющих какую-либо определённую функцию в ДУ, но не входящих в одну сборочную единицу.

Её устройства соединены между собой трубопроводами, электрическими кабелями или механическими связями.

Системы ЖРД

СПТ - система подачи топлива САУ – система автоматического управления работой ЖРДУ

САР – система автоматического регулирования

Требования к системам ДУ:

1 – минимальные потери Iy при работе;

2 – минимальная масса;

3 – малая инерционность при переходе на всех режимах;

4 – высокая надёжность.

Рассмотрим состав и работу систем подачи топлива в камеру сгорания и некоторых систем управления работой ДУ.

23

2.3.1. Системы подачи топлива (СПТ)

СПТ – совокупность элементов конструкции, обеспечивающих подачу компонентов топлива из баков в камеру сгорания, в нужных количествах при определенном давлении (или при заданных условиях).

В СПТ входят:

1 – баки для хранения горючего окислителя, вспомогательных веществ; 2 – агрегаты для создания необходимого давления подачи рабочих веществ к

Рисунок 2.5. Классификация систем подачи местам их использования;

3 – трубопроводы и другие соединительные элементы;

4 – арматура, обеспечивающая нормальную работу системы (заборные устройства, клапаны и др.).

Для создания повышенного Pk топлива, нужно затраты энергии. Поэтому СПТ выделяются среди других с/с ДУ затратами энергии и массой агрегатов.

Схема ДУ с ЖРД представляет собой прежде всего схему СПТ. Разработаны ряд схем СПТ, позволяющие получить различные Iуд, mуд,

сложности.

2.3.2. Система с вытеснительной подачей топлива (ВПТ)

ВПТ – система, в которой компоненты топлива подаются из баков сгорания

давлением газа, подаваемого в баки.

Системы ВПТ могут быть (по организации процесса подачи топлива):

срегулируемым давлением в баках с топливом;

смонотонным падением давления в баках с топливом.

1.Рассмотрим систему ВПТ с регулируемым давлением в баках с топливом.

Очевидно, что для ВПТ должно быть: РАК > РБ> РК

PдВПТ = Pк + ∑ Pi , где

24

Pд - давление в баке [Па]; Pк - давление газов в камере сгорания;

∑ Pi - суммарные гидравлические потери в подводящих элементах системы

Со временем Рб ↓ падает, Pк - ↓ , Pтяга - ↓ , Iуд - ↓

25

Лекция 3

2.3.3. Система с насосной подачей топлива (НПТ)

Для повышения давления топлива перед камерой сгорания ЖРД используются насосы, которые используют механическую энергию вращения для повышения потенциальной энергии давления топлива.

Привод насосов осуществляется газовой турбиной.

Совокупность насосов подачи топлива с турбиной, объединенных в единый блок, называют турбонасосным агрегатом – ТНА.

Если для привода насосов используется электродвигатель (на ИСЗ - вращают от энергии солнечных батарей), то такой агрегат называется ЭНА.

Газогенераторы

Газ для вращения турбины в ЖРД может быть получен при разложении компонента основного топлива или специально запасенного на борту вещества.

В современных ЖРД газ обычно получают в двухкомпонентных газогенераторах (ГГ).

По устройству ГГ аналогичен камере сгорания двигателя, но в нём отсутствует сопло.

Газ от ГГ поступает на лопатки турбины через сопловые аппараты (СА) и вращает турбину. Она вращает ротор ТНА.

Материалы лопаток турбины по условиям прочности допускают температуру газа не более 1200К.

Для получения такой температуры в ГГ выбирают или

αok ≤ 0,1…0,3 или αok ≥ 20…40.

При этом образуется (αok ≤ 0,1…0,3) восстановительный газ («сладкий») – менее агрессивен и RT выше, чем у «кислого» газа,

Либо (αok ≥ 20…40) – окислительный («кислый») газ, который более агрессивен к конструктивным материалам, более ↓ RT чем при α <<1.

Унитарные ГГ ТНА

27

Применение унитарных топлив в позволяет создать простую и надежную систему газогенерации газа для турбины ТНА. Например (перекись водорода) 2H2O2 = 2H2O ↑ +O2 ↑ +Q - парогаз для турбины.

Системы наддува баков в НПТ

В НПТ баки с компонентами топлива тоже находятся под повышенным давлением, надуты с помощью системы наддува.

Назначение системы наддува в НПТ.

1)Подача топлива к насосам под давлением Рвх и обеспечение их безкавитационной работы.

Условие безкавитационной работы:

Рвх ≥ РН + ρС + ∆РЗ

2

PH – давление насыщенных паров;

2

ρC - скоростной напор потока, который зависит от параметров и особенно-

2

стей конструкции насоса – чем больше частота вращения, тем больше давление подачи, меньше габариты насоса, тем больше скоростной напор на входе в колесо.

Наоборот, тихоходный, крупногабаритный насос будет иметь меньший скоростной напор на входе.

∆Рз – конструктивный запас.

С учётом ∆РвхГ (гидравлических потерь входной магистрали) для безкавитационной работы ТНА давление на выходе из баков должно быть

Рб ≥ Рвх + ∆РвхГ

2) Обеспечение формы баков (их устойчивость)

При НПТ в баках достаточно иметь давление PдНПТ = 0,1...0,6МПа ≤ PК , оно меньше, чем при ВПТ. Поэтому mбаковНПТ << mбаковВПТ

Это преимущество НПТ особенно заметно при pк > 2МПа , при большом времени работы (τ раб > 40сек ) и тяге двигателя Р>300 КН.

28

Недостаток системы НПТ по сравнению с ВПТ – сложность её элементов (ТНА и ГГ).

Типы систем наддува баков

Типы с/с наддува в зависимости от источника давления (способа получения вытеснительного газа) подразделяются на автономные (независимые) и зависимые с/с наддува баков.

Автономные (независимые) с/с наддува баков

1 – Газовый аккумулятор давления (см. схему) (азот, гелий) – прост и надёжен. 1а – Газовый баллон помещен в криогенный компонент (в бак с O2ж ), а перед поступлением в бак – подогревается в теплообменнике (выхлоп ТНА). Это

клапан; 3 – редуктор; 4 - обратный клапан

теплообменник;

б) работа на основе испарения компонентов H2ж , O2ж в баках.

Зависимые системы наддува баков

3.– Газогенераторная система наддува баков.

4.– Безгазогенераторная схема наддува баков.

При самовоспламеняющихся компонентах газ можно получать в баках путём распыла небольшого количество другого компонента. Однако реализация «простой» схемы – труднее, так как:

1)С/с распыла противоположного компонента должна обеспечить постоянство её расположения относительно поверхности расходуемого компонента.

2)Жидкий компонент загрязняется продуктами химической реакции, которые отрицательно могут влиять на работу двигателя.

29

5. – С/с наддува на основе твёрдотопливного газогенератора (ТГГ).

С/с не получила широкого применения, несмотря на её простоту, из-за трудности в разработке рецептур топлива.

6. – С/с наддува совместно с бустерными насосами.

Для уменьшения массы ДУ совмещают с/с наддува баков с бустерными насосами, приводимых во вращение турбиной БТНА (бустерный турбонасосный агрегат)

БТНА размещаются: - на днищах баков топлива; - на входе в ТНА.

Они создают давление на входе в ТНА до 1,5…3,0 МПа, за счёт чего можно:

-улучшить условия безкавитационной работы основного насоса;

-повысить скорость потока на входе в насос;

-уменьшить сечение подающих трубопроводов;

-увеличить частоту вращения крыльчатки основного насоса;

Всё это позволяет ТНА сделать быстроходной малогабаритной машиной, уменьшить массу баков топлива.

2.3.3.1. НПТ без дожигания генераторного газа

Схема и описание работы изучались на лабораторной работе (С5-2).

В системах ЖРД с НПТ без дожигания генераторного газа (ГГ) – газ после турбины истекает в окружающее пространство через утилизационное сопло (патрубок).

Двигатель работает на основных компонентах топлива.

При запуске 2 открыт и баки 5 и 6 – надуты Pд . При открытии 9 топливо попадает в 11 и 12. При открытии 7 топливо проходит в камеру двигателя и в ГГ 14 и сгорает. Газы 1 вращают турбину 13 и отводятся в сопло 18 с получением дополнительной тяги Pу. В ЖРД без дожигания (αok = 0,1…0,3), Iy

сопла 18 – очень низкое, по сравнению с Iy камеры двигателя.

30