Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей, страница 3

Чем больше Н„, тем меньше потребляемая мощность. Обычно т1, = 0,5 ... 0,8. При заданных потребном напоре и КПД мощность, потребляемая насосом, определяется массовым расходом компонента (тягой двигателя). Для двигателей больших тяг мощность насоса ЖРД может составлять десятки и сотни тысяч киловатт. 1лп НАСОСНЫЕ АГРЕГАТЫ 1.2.1. Общие требования Сформулируем основные, наиболее общие, требования к насосным агрегатам ЖРД, состоящим из насосов и двигателя для их привода. Насосный агрегат должен: а) надежно обеспечивать беспрерывную подачу необходимого количества компонентов в камеру сгорания под заданным давлением с возможно более высоким КПД; б) иметь минимальные габаритные размеры и массу, а следовательно, максимально возможную угловую скорость; в) иметь минимальную стоимость изготовления; г) обеспечивать устойчивую работу двигателя на всех его режимах; д) иметь низкий уровень пульсаций и вибраций.

Эти общие требования к насосному агрегату конкретизируются и дополняются в зависимости от назначения и схемы ЖРД. Дополнительные требования уточняются прн рассмотрении конкретной системы питания ЖРД. Перечислив общие требования к насосному агрегату, сформулируем дополнительные требования к насосам ЖРД и двигателям, ррименяемым для их привода. 1.2.2. Требования к насосам Требования к насосам почти целиком определяются такими параметрами двигательной установки, как тяга, давление в камере сгорания, физико-химические свойства компонентов, давление в баках. Насос должен: а) как правило, быть приспособлен для работы с агрессивными жидкостями, какими являются высококипящие окислителн топлив ЖРД (азотная кислота и ее производные, перекись водорода), а также с криогенными, низкокипящими жидкостями (жидкий водород, жидкий кислород).

При работе на окнслителях недопустимо трение между деталями насоса, которое приводит к местному нагреву внутренних частей насоса, возгоранию и даже взрыву насоса. Ввиду этого насосы, в которых имеются трущиеся пары, могут оказаться непригодными для ЖРД; 12 б) обладать высокими антикавитационными свойствами, т. е. быть работоспособным при малых давлениях на входе. Чем меньше допустимое давление на входе в насос, тем меныпе необходимое давление в баке компонента, а это приводит к уменыпению массы бака и уменьшению массы всей двигательной установки; в) иметь такую зависимость создаваемого напора от расхода жидкости, которая обеспечивала бы устойчивую работу системы питания как на основных, так и на переходных режимах работы двигателя.

При работе насоса должна быть исключена возможность срыва режима или возникновения колебаний параметров насоса (напора, расхода) под влиянием малых случайных отклонений в сопротивлении системы питания; г) быть способен перекачивать компонент с некоторым содержанием газа или пара. Жидкость может насыщаться газом наддува при длительном храпении и в состоянии невесомости. При перекачке криогенных жидкостей на вход в насос может поступать жидкость с паром. Это основные требования к насосам ЖРД. В отдельных частных случаях эти требования могут видоизменяться и могут возникать новые специфические требования. 1.2.3.

Требования к двигателям привода насосных агрегатов Сформулируем дополнительные требования к двигателям привода насосов ЖРД, учитывая, что многие требования к двигателю вошли в общие требования к насосному агрегату. Двигатель привода должен: а) иметь высокую угловую скорость и, как правило, обеспечивать привод насосов без применения специальных передающих момент устройств (например, зубчатой передачи); б) работать на источнике энергии, не требующем значительного увеличения массы ракеты. Когда использованное рабочее тело выбрасывается, минуя камеру сгорания ЖРД, двигатель привода должен иметь высокие значения работы, отнесенной к единице массы расходуемого рабочего тела; в) легко переводиться с одного режима на другой.

Учитывая сформулированные выше требования, выясним, какие типы насосов и двигателей лучше всего подходят для применения их в системах питания ЖРД. 1.3. НАСОСЫ И ДВИГАТЕЛИ РАЗНЫХ ТИПОВ 1.3.1. Насосы !.3.1.1. Объемные насосы Имеется много типов насосов, действую1цих по разным принципам и конструктивно различных между собой. Разберем кратко принцип действия и основные свойства насосов применительно к требованиям, предъявляемым к насосам системы 13 подачи ЖРД.

Будем рассматривать лишь механические насосы. Для перекачки токопроводящих жидкостей, в частности жидких металлов, применяются электрические и электромагнитные насосы различных типов, По принципу действия механические насосы можно разделить на объемные, насосы трения, струйные и лопаточные. Объемные насосы работают по принципу вытеснения. Жидкость проталкивается в нагнетающую магистраль каким-нибудь движущимся органом.

Давление, развиваемое объемным насосом, определяется гидравлическим сопротивлением напорной магистрали за насосом и практически ограничивается лишь утечкой через зазоры и прочностью деталей насоса. В основном применяют объемные насосы трех типов: а) поршневые (рис. 1.5), в которых вытеснение жидкости в область повышенного давления, а также засасывание жидкости производится поршнем, приводимым в движение при помощи кривошипноползунного механизма от вала какого-либо двигателя. Засасывание и подача жидкости осуществляются через управляемые или автоматические клапаны; б) шестеренные (рис. 1.6) или винтовые, в которых роторы, выполненные в виде зубчатых шестерен или винтов, вращаясь в корпусе насоса, отсекают от полости всасывания жидкость, попавшую в полость между зубьями и корпусом, и выталкивают ее в полость повышенного давления; в) коловратные (рис.

1.7), в которых лопатки, перемегцающиеся в радиальных пазах эксцентрично вращающегося ротора, отсекают жидкость от полости всасывания и переносят ее в полость повышенного давления. Основные преимущества объемных насосов: в) возможность получения больших напоров; б) независимость расхода от давления подачи. Теоретическая характеристика этих насосов (зависимость перепада давлений, развиваемого насосом, от расхода через насос без учета изменения утечки через зазоры) представляется вертикальной линией (рис. 1.8); в) высокий КПД; г) возможность работы на двухфазной жидкости.

Объемные насосы с малыми зазорами между рабочим органом и корпусом являются самовсасывающими, т. е. такими насосами, которые могут работать без заливки, откачивая вначале газы и пары, а затем жидкость. Недостатки, свойственные объемным насосам: а) большие масса и габаритные размеры, особенно при больших расходах; б) небольшая угловая скорость (из-за опасности большого износа), особенно в случае использования в передаче кривошипноползунного механизма, Как следствие этого, для объемных насосов характерна ограниченная подача при заданных массе и размерах; в) наличие трущихся поверхностей может привести к местному нагреву, что недопустимо при перекачке окислителей топлив ЖРД. 14 Рт Рт Мдт Рис. 1.5.

Схема поршневого насоса Рис. 1.7. Схема кововратного насоса лр 111 «Рт Рис. 1.8. Типичная характеристика обьевтных насосов: ! — теоретическая; 1 — деттствитевьиая Рис. 1.6. Схема шестсренного насоса Возможная область применения объемных насосов в качестве основных (малые тяги, малые расходы) совпадает с областью применения вытесннтельной системы подачи, имеющей преимущества в массе и конструктивной простоте.

Объемные насосы могут применяться как стендовые и в системах управления ЖРД, 1.3.!.2. Насосы трения В насосах трения подвижный рабочий элемент увлекает жидкость благодаря наличию сил вязкости. На рис. 1.9 приведен один из видов насоса трения дисковый насос, состоящий из подвода 1, дискового колеса 2 и спирального отвода 3.

Дисковое колесо состоит из нескольких тонких дисков, скрепленных между собой на периферии так, что между дисками остаются небольшие зазоры для прохода жидкости, Принцип действия дискового насоса заключается в следующем. При вращении колеса жидкость, находящаяся в зазоре между дисками, в результате трения о них, закручивается, благодаря чему создается радиальная скорость и повышается давление, т.

е, создается насосный эффект. Преимущества дисковых насосов заключаются в их высоких антикавитационных качествах. Дисковые насосы могут работать при более низких давлениях на входе, чем, например, лопаточные насосы, Это объясняется тем, что при обтекании входных кромок 15 Рис, 1.9. Схема дискового насоса дисков вследствие малой скорости обтекания возникает меньшее разрежение, чем при обтекании лопаток.

Дисковые насосы малошумны и имеют малый уровень пульсации, что очень важно для ряда отраслей тех-9- ники. Недостатки дисковых насосов трения: а) низкие напоры; б) невысокий КПД; в) большие габаритные размеры насосов, предназначенных для систем с большими расходами. Эти недостатки не позволяют при- менять дисковые насосы в качестве основных насосов ЖРД. Они могут применяться как вспомогательные ступени насосов двигателей небольших тяг для улучшения их антикавитационных качеств.