Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей

Б.В,Овсянников БИ Боровский ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ АГРЕГАТОВ ПИТАНИЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТРЕТЪЕ ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Допущено Министерством высшего н среднето специального образования СССР в качестве учебника для студентов авиационных специалаиостей высших учебных заведений МОСКВА "МАШИНОСТРОЕНИЕ" 1986 ВБК 39.62 034 УДК 629.7.036.54.063.6: 62!.675.001,2 1075.6) Р е ц е н з е н т В. И. Петров Овсянников Б.

В., Боровский Б. И. 034 Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1986. — 376 с., ил. В перл 1 р. 20 к. В книге приведенм основные положения теории насосов и турбин турбоиасосных агрегатов (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (Жрд), а также методы их гидродннамнческога расчета. Рассмотрены основы общей теории лопаточных машин, выведены расчетные соотношения для проектирования праточной части насосов н турбин, обоснован выбор ик основных параметров, дан анализ условий работы ТНА. Книга предназначена для студентов авиационных специальностей вузов, л64Г ББК 39.62 ип.ав 6Т6 © Издательство «Мзшиностроениев, 1966 г ПРЕДИСЛОВИЕ Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) по сравнению с другими видами тепловых двигателей имеют наилучшие удельные показатели по преобразуемой энергии, массе н размерам.

Одним из наиболее ответственных и напряженных узлов ЖРД является турбонасосный агрегат (ТНА), обеспечивающий подачу топлива в камеру сгорания. Он состоит из насосов и турбины. Для насосов и турбин ЖРД характерны большие окружные скорости, высокие значения удельной работы, агрессивные рабочие тела и, что особенно важно, повышенные требования к кавитационной устойчивости насосов. В настоящей книге рассматриваются вопросы теории и расчета насосов и турбин ЖРД.

В ней последовательно изложены теоретические положения и рекомендации по расчету с алгоритмами и примерами. В связи стем что в ТНА ЖРД применяются лопаточные машины различных видов: осевые насосы и турбины, радиальные (центробежные) насосы, радиальные (центростремительные) турбины, один ,из основных разделов книги посвящен общей теории лопаточных машин (турбомашин), которая изложена в обобщенном виде. Значительное внимание уделено расчету насосов на кавитацию, а также расчету энергетических характеристик насосов. При изложении этих вопросов широко использовались экспериментальные данные.

В качестве основного рассмотрен наиболее типичный для ЖРД шнекоцентробежный насос. Подчеркнуты особенности расчета насосов окислителя и горючего. В книге приведены подробные сведения по выбору и расчету турбин ТНА для двигателей различных схем. В заключительном разделе даны алгоритмы расчета параметров ТНА как элементы системы автоматизированного проектирования двигательных установок и дан анализ условий их работы в системе подачи компонентов.

Системы питания рассмотрены в общем виде и достаточно кратко, так как изучение конкретных их схем и регулирования двигателя является предметом специального курса. Терминология и обозначения приняты в соответствии с ГОСТ 17655 — 80 «Двигатели ракетные жидкостные.

Термины и определения» и с учетом подхода к насосам и турбинам как к лопаточным машинам. Фактические данные приведены на основе отечественных и иностранных публикаций. Примеры имеют методический характер и не относятся к какому-либо конкретному двигателю. 3 Рекомендации по проектированию ТНА ЖРД, изложенные в книге, можно широко использовать при разработке насосов и турбин в различных отраслях промышленности. Ввиду того, что в ряде вузов сокращен курс по теории и расчету ТНА, часть материала напечатана петитом.

Для облегчения самостоятельной работы студентов книга разбита на достаточно мелкие разделы, теоретические положения иллюстрируются графическими зависимостями. Разделы 1, 2 написаны Б. В. Овсянниковым, остальные разделы— Б. В. Овсянниковым и Б. И.

Боровским. Научное редактирование книги выполнено Б. В. Овсянниковым. Книга является третьим изданием учебника <Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей». При подготовке издания были учтены замечания и пожелания, высказанные читателями, и советы преподавателей, ведущих учебный процесс по аналогичным курсам. В третьем издании в отличие от предыдущих существенно переработаны разделы: «Кавитация в насосах», «Осевые насосы», «Отводы насосов»; освещены новые вопросы: удельная мощность, вибронагруженность ТНА; расчеты насоса и турбины представ.тены как элементы системы автоматизированного проектирования двигательной установки с ЖРД; внесены изменения методического характера, например при описании системы КПД, балансов мощностей насосов и турбины. Авторы выражают искреннюю благодарность Н, С.

Ершову, В. А. Целикову, Н. И. Кравчику, В. С. Селифонову за сделанные ими предложения по содержанию книги; В. В. Рамодиной, Е. А. Труфановой, Л. И. Марьиной, С. В. Каширину, Г. Н. Шишлянниковой за помощь при подготовке книги к переизданию и В. И. Петрову за ценные замечания, высказанные при рецензировании книги. Все замечания по существу изложенных вопросов и методике изложения следует направлять по адресу: 107076, Москва, Б-76, Стромынский пер., 4, издательство «Машиностроением УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а — скорость звука 6 — ширина решетки лопаточной машины (насоса, турбины) с — абсолютная скорость движения жидкости газа С вЂ” кавитацнонный коэффициент быстроходности О, д — диаметр Р, )' — площадь д — ускорение свободного падения Ь вЂ” высота Н вЂ” напор Й вЂ” коэффициент напора ~ — угол атаки, энтальпия й, — коэффициент влияния конечного числа лопаток 1, — удельная работа; уменьшение энергии жидкости, газа Š— коэффициент работы т — массовый расход жидкости или газа и, — коэффициент быстроходности М вЂ” мощность р — давление д — расходный параметр к, г — радиус )т — газовая постоянная Т вЂ” температура 1 — шаг и — окружная скорость о — удельный объем Р— объемный расход жидкости или газа ш — относительная скорость г — число лопаток; число ступеней турбины, насоса е — степень парциальности (степень впуска) ь — коэффициент потерь Л вЂ” КПД т — коэффициент кинематической вязкости жидкости $ — коэффициент местных сопротивлений р — плотность жидкости, газа; степень реактивности о — коэффициент полного давления ы — угловая скорость Индексы ад— вн— вт— вх— вых— г— д— кав— кр— мех— ив ив пол— Р с— ср— срв— т— тр— У Ш— адиабатный внутренний втулка входной выходной гидравлический дисковый кавитацианный критический механический насос периферийный политропный расчетный, расходный сопловой аппарат сборника насоса средний срывной теоретический, турбина трение уплотнение, утечка шнек меридиональные составляющие скоростей и проекции сече- ний радиальные скорости окружная составляющая скоростей, параметры на окружно- сти колеса турбины осевые составляющие скоростей, моменты относительно оси г и т.

п. параметры, определенные исходя из предположения, что число лопаток бесконечно большое 1. ТРЕБОВАНИЯ К НАСОСАМ И ТУРБИНАМ Е!. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ ЖРД вЂ” двигатель, предназначенный для создания тяги при кратковременном действии. Обычно время его работы измеряется секундами или минутами. В ЖРД используются топлива, состоящие из жидких компонентов — жидкий окислитель и жидкое горючее, или однакомпоиентные топлива. Массовый расход топлива составляет килограммы и тысячи килограммов в секунду. Значение массового расхода топлива определяется тягой и удельным импульсом двигателя: т = Р/7~, (1.1) где и — массовый расход топлива ЖРД, кг/с, определяемый суммой массовых расходов компонентов — окислителя т,„и горючего т„: т = т,„+ т„; (1.2) Р— тяга, Н; 7т — удельный импульс, м/с.

Удельный импульс ЖРД в зависимости от выбранных компонентов находится обычно в пределах 2500 ... 4500 м!с. Оценим приближенно расход топлива в ЖРД. Если принять 7 = 3300 м/с, ! У то на каждые 10 кН тяги потребуется 3 кг с расхода топлива. Массовый расход каждого из компонентов можно определить по суммарному расходу топлива и выбранному значению соотношения компонентов Кт = гпокl~г. С помощью формул (1.2) и (1.3) получим й „= К т~(!+К ); (! .4) т„= т7(!+К ).

(1.5) Как правило, К больше единицы (обычно К = 2 ... 6), т. е. массовый расход окислителя и,„ больше расхода горючего и,. Объемный расход компонента находят по массовому расходу и плотности: 'г',„= ш,„1р,„; (1.6) 1'„= т„(р„, (1.7) где Уо„и ӄ— соответственно объемные расходы окислителя и гоРючего; р,„и р„— плотности окислителя и горючего. 7 Обычно плотность окислителя (производные азотной кислоть1, жидкий кислород и пр.) болыпе, чем плотность горючего (керосин, спирты и пр.), поэтому разница в объемных расходах окислителя и горючего меньше, чем разница в их массовых расходах. Объемные расходы компонентов составляют тысячные и сотые доли кубических метров в секунду для двигателей с умеренной тягой (до ЗОО кН) и десятые доли кубических метров в секунду для двигателей с большей тягой.