Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей, страница 2

Давление подачи рабочега компонента р„,х на выходе насоса определяется давлением в камере сгорания р„, перепадом на форсунках Арф, при применении наиболее распространенной схемы двигателя с дожиганием перепадом давления иа турбине Лр, и сопротивлением гидравлической магистрали на выходе из насоса ~рсопр, вых (1.8) Рвых — Рв+ Арэ+ ~рт, ырсопр, вых При давлении рв = 10 ... 20 МПа, Арф — — 0,5 ... 2 МПа, Лр, = = 5 ... 20 МПа и Лр„,р „,„— — 1,5 ... 5,0 МПа потребное давление подачи может составлять 20 ...

45 МПа. В зависимости от устройства системы питания подача компонентов топлива в камеру сгорания )КРД может осуществляться вытеснением их из бака газом высокого давления рз или насосами, В соответствии с этим системы подачи компонентов топлива ЖРД делятся на вытеснительные и насосные. В вытеснительных системах (рис. 1.1) для подачи топлива в камеру сгорания используется какой-либо аккумулятор давления. В качестве аккумулятора давления применяют баллон со сжатым газом (воздухом, азотом, гелием) или агрегат, вырабатывающий газ путем сжигания твердого топлива или жидких компонентов какого-либо топлива.

Характерная особенность вытеснительной системы заключается в том, чта баки с компонентами находятся под давлением, превышающим давление в камере сгорания. Поэтому баки приходится делать толстостенными. При высоких давлениях в камере сгорания и при значительных количествах топлива, расходуемого за время работы (что характерно для двигателей с большим импульсом тяги), баки при вытеснительных системах подачи будут чрезвычайно массивными, неприемлемыми для ракеты. В насосной системе подачи (рис. 1.2) внутри баков с компонентами, например с помощью баллона со сжатым газом, поддерживается небольшое давление, необходимое для обеспечения работы без кавитационного срыва насосов, Давление, под которым топливо подается в камеру сгорания, создается насосами, приводимыми в движение от двигателя — обычно от турбины, В дальнейшем агрегат, состоящий из насосов и двигателя, будем называть насосным агрегатом.

Если в насосном агрегате в качестве двигателя используется турбина, то такой агрегат будем называть турбонасосным агрегатом (ТНА). Рабочим телом турбины является газ, полученный в газогенераторе двигателя при сгорании компонентов топлива 8 Рис, 1.2. Схема насосной системы по- дачи компонентов топлива 7КРД; 1 — аккумулятор давления; 2 — редукци- онный клапан: 3 — бак с номпонентам: б — двнгатель для привода насосов; 5— насос; б — камера сгорания Рис.

!. 1. Схема вытеснительной системы подачи компонентов топлива жРД: 1 — аккумулятор давления; 2 — редукцнониый клапан; 5 — бак с компонентом б— камера сгорания Г/ = (Ро вых — Ро )/Р (1.9) О =- Рвы./Р†,' Са(ых/2 — Рвх/Р + Гвх/2 =- (Рных -- Рнх)/Р + (С',ы, — б";„)/2, (1.1О) 9 или двигателя или при разложении какого-либо вещества (например, перекиси водорода). Насосная система подачи значительно сложнее вытеснительной, но при больших количествах расходуемого топлива и высоких давлениях подачи она предпочтительнее из-за меньшей массы.

Уже при давлении в камере сгорания, превышающем б МПа, применять в ЖРД вытеснительную систему подачи компонентов, как правило, нецелесообразно. Исключение составляют двигатели с малой тягой и малой продолжительностью работы, применяемые для управления спутниками и космическими кораблями. Насосная система подачи компонентов в настоящее время является наиболее распространенной в ЖРД. При насосной системе подачи насос должен обеспечить необходимый расход компонента, при этом давление компонента должно быть повышено от небольшого на входе в насос до высокого, превышающего давление в камере сгорания, см. уравнение (1.8), т. е. насос должен обеспечить большое приращение механической энергии перекачиваемого компонента топлива. Приращение механической энергии 1 кг жидкости, прошедшей через насос, называется массовым напором насоса, обозначается Н и измеряется в джоулях на килограмм.

Для несжимаемой жидкости можно записать где р, и р — соответственно полное и статическое давления компонента топлива; с — скорость компонента; р — плотность жидкости; «вх», «вых» — индексы, относящиеся к параметрам компонента на входе в насос и на выходе из него *. Обычно с„= 5 ... 15 м!с, с,„, = 10 ... 30 м1с. При одинаковых или близких значениях с,х и с,„, можно записать О = (Рных — Рах)IР (!.1 1) Потребное давление на выходе р„, (давление подачи компонента) оценивается формулой (!.8).

Для определения потребного напора насоса Н остановимся на оценке располагаемого давления на входе в насос р„(в случае применения бустерного насоса это будет давление на входе в бустерный насос). Давление на входе в насос в ракете, летящей на активном участке (рис. 1.3), определяется давлением в баке рб, инерционным подпорам, гидравлическим сопротивлением магистрали, подводящей компонент к насосу, и скоростью потока на входе. Для жидкости, текущей по трубе, инерционная сила в данном сечении где ! — уровень столба жидкости над сечением входа; у — тангенциальное ускорение ракеты; 1 — площадь сечения трубы. Инерционное давление Рт = Р!1 С учетом всех факторов давление на входе в насос Рхх = Ра + Р(1 гьрсчар. ах Рсва (1.12) где Лр„,р,„— сопротивление участка гидравлической магистрали от бака до входа в насос.

Во время полета ракеты давление на входе в насос не остается постоянным, вменяется при изменении ускорения и уровня жидкости в баке. На рис. 1,4 показано изменение давления на входе в насос по времени полета ракеты на активном участке траектории, когда работает двигатель. При старте ракеты р, обычна составляет 0,2 ... ... 0,6 МПа. При движении ракеты давчение р„, изменяясь, может проходить через минимум, так как уровень столба жидкости ! уменьшается, а ускорение ракеты увеличивается (принято, что давление в баке поддерживается постоянным). * В промышленности используется понятие весового напора — приращения механической энергии, отнесенного к единице веса Н = (р,„„— р, )~(рй) + (сс„— с',„)/(2д). Этот параметр имеет смысл для постоянного поля гравитации, для ракетно-косми. ческой техники он неудобен, так нак изменяется с изменением ускорения силы тяжести.

В невесомости он равен бесконечности. В дальнейшем слово массовый перед термином напор для краткости будем опускать 10 Рис. 1.3, -Схема установки насоса в ракете ,аах аа Рис. 1.4. Зависимость давления на входе в насос от времени полета ракеты Определенная трудность заключается в осуществлении запуска в условиях невесомости. Нельзя обеспечить в этих условиях непрерывную подачу жидкого компонента к насосу, не принимая специальных мер по разделению жидкой фазы компонента и газа (пара) для наддува. Для обеспечения притока жидкого компонента к насосу могут быть применены капиллярные системы, сетчатые экраны, центробежные сепараторы, вспомогательные двигатели, обеспечивающие необходимое ускорение для прилива компонента к днищу бака, и т.

п, Отметим, что входное давление р„„является важным параметром насосной системы питания ЖРД. При низком давлении на входе в насосе может возникнуть кавитация, приводящая к срыву режима насоса — падению напора, создаваемого насосом, и расхода. Поэтому важно рассчитать насос так, чтобы он обладал необходимыми антикавитационными свойствами, т, е.

был способен работать без кавитационного срыва при заданных давлении и температуре жидкости на входе. При наличии бустерного насоса давление на входе в основной насосный агрегат определяется давлением за бустерным насосом. Это давление выбирается таким, чтобы обеспечить работу основного насоса без кавитационного срыва, обычно это давление не менее 1 МПа. ЗнаЯ потРебное давление на выходе из насоса 1т,ых и Располагаемое давление на входе р„, можно по формуле (1.11) определить потребный напор насоса. Так как р„ много меньше р„„, то напор насоса Н практически определяется давлением на выходе.

Обычно потребный напор основных насосов составляет 15 ... 45 кДж/кг. Так как плотность горючего меньше плотности окислителя, то напор насоса горючего больше напора насоса окислителя. Для насосов, 11 работающих на жидком водороде (который имеет очень малую плотность), потребный напор достигает 150 ... 500 кДж/кг. Следовательно, водородные насосы являются особенно высоконапорными. Мощность, потребляемую насосом, можно подсчитать по формуле Л', = т11/), = р)'Н/т1н, где т1„— КПД насоса.