Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей, страница 4

Заслуживают внимания насосы, представляющие собой комбинацию насоса трения и лопаточного насоса. 1.3.1.3. Струйные насосы Струйный насос — эжектор включает в себя сопла, камеру смешения, диффузор и конфузор. В сопло подается жидкость под большим давлением (эжектирующая жидкость). В камеру смешения поступает эжектируемая жидкость под малым давлением и с малой скоростью. В сопле эжектирующая жидкость увеличивает кинетическую энергию из-за падения давления и затем поступает в камеру смешения. В камере смешения в процессе перемешивания происходит передача энергии от эжектирующей жидкости к эжектируемой.

В результате этого на выходе из камеры смешения удельная механическая энергия массы перемешанной жидкости становится больше, чем удельная энергия эжектируемой жидкости на входе в камеру смешения, В диффузоре давление перемешанной жидкости увеличивается. Преимущество струйных насосов заключается в их конструктивной простоте, надежности и в работоспособности при большом газосодержании жидкости.

Струйные насосы могут применяться в ЖРД в качестве вспомогательных (бустерных) насосов, устанавливаемых перед основными насосами для повышения антикавитационных качеств насосной системы подачи. Недостатки струйных насосов: а) низкий КПД; б) небольшие напоры, которые они могут обеспечить. 1.3.1.4.

Лопаточные насосы Лопаточный насос относится к обширному классу лопаточных машин. В нем преобразование механической энергии в энергию жидкости совершается во вращающих каналах, образованных 16 лопатками. Для лопаточных насосов характерно обтекание враща- ющихся лопаток потоком жидкости. Эти насосы разделяются на центробежные и осевые, В центробежном насосе перемещение частицы жидкости в рабо- чем колесе происходит при увеличении ее расстояния от оси враще- ния.

В преобразовании энергии в центробежном насосе большую роль играют кориолисовы силы инерции. В осевом насосе перемеще- ние частицы жидкости происходит при незначительном изменении ее расстояния от оси. В преобразовании энергии в осевых насосах основную роль играет циркуляция при обтекании лопаток. Кроме центробежных и осевых насосов, существуют лопаточные насосы промежуточного типа — диагональные насосы, Центробежные насосы обычно применяют при потребных напорах, превышающих 1 кДж,'кг. Область применения одноступенчатых осевых и диагональных насосов — бустерные насосные агрегаты. В ЖРД осевые насосы применяются в качестве предвключенных, устанавливаемых перед центробежным насосом, в частности для этой цели нашел широкое применение шнековый насос. Рабочее колесо шнекового насоса имеет две — три длинные лопатки.

Лопатка этого насоса спрофили- рована по высоте, как винтовая поверхность. Шнековый насос соз- дает небольшой напор, но может работать при малом давлении на входе — при наличии кавитации. Поэтому шнековые насосы нашли применение в ЖРД в качестве ступеней, улучшающих антикавита- и~онные свойства насосов или в качестве бустерных насосов, Лопаточные насосы имеют следующие положительные свойства: а) возможность обеспечения практически любых напоров и рас- ходов жидкости; б) возможность работы при высоких угловых скоростях; в) небольшую массу; г) малые габаритные размеры; д) возможность работы на агрессивных и криогенных жидкостях вследствие отсутствия трущихся пар; е) удобство привода от электродвигателей и турбин; ж) минимальное число движущихся частей.

Отрицательными качествами лопаточных насосов являются: а) умеренные значения КПД (обычно не более 0,85); б) изменение развиваемого напора при изменении расхода; в) падение напора при малых давлениях входа из-за развива- ющейся кавитации. Разновидностью центробежных лопаточных насосов является вихревой насос 1рис, 1.10), Колесо с неболыпими выфрезерован ными на периферии лопатками вращается в корпусе так, что между корпу- сом и колесом имеется кольцевой канал постоянного сечения. Входное и выходное отверстия разделены перемычкой, прилегающей с малым зазором к колесу.

Жидкость захватывается лопатками, проходит по межлопаточному каналу и выбрасывается в кольпевой канал корпуса. Двигаясь по кольцевому каналу, жидкость до выхода из насоса многократно паем~имая-в.щымми~аточные каналы. В известной 17 Рис. 1.1О. Схема вихревого иасоса; т — рабочее «овеса: 2 — выхадиое отверстие; а— вхадиое отверстие; 4 — «ар«ус мере вихревой насос действует, как многоступенчатый центробежный насос, хотя в кольцевом канале имеют место и эжекционные процессы.

Преимущество вихревого насоса состоит в том, что при данной окружной скорости колеса его напор получается большим, чем у центробежного (почти в два раза). Вихревые насосы с включением в их конструкцию элементов объемных насосов могут работать, как самовсасывающие. Недостатки этих насосов; а) низкий КПД, хотя при малой подаче (до 5 10 ' ма~с) вихревые насосы могут иметь КПД, сравнимый с КПД центробежного насоса; б) большие габаритные размеры при больших расходах.

Из сказанного следует, что в отдельных случаях все рассмотренные виды насосов могут найти применение в системах питания ЖРД. Но при сравнительно больших расходах агрессивной или криогенной жидкости лопаточные насосы наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к насосам систем питания ЖРД, поэтому они нашли наиболее широкое применение. При дальнейшем изложении теория и расчет лопаточных насосов будут рассмотрены подробно. В настоящее время характерно применение комбинированных лопаточных насосов, состоящих из лопаточных ступеней различного типа. В комбинированных лопаточных насосах используются лучшие свойства различных типов лопаточных насосов.

Наибольшее распространение получило сочетание шнековой ступени с центробежной, установленных на одном валу. Такой насос называется шнскоцентробежным. Он обладает высокими антикавитационными и напорными качествами. В системе питания ЖРД находит также применение сочетание шиекоцентробежиого насоса со вспомогательным (бустерным) лопаточным или струйным насосами. 1.3.2. Двигатели для привода насосов В качестве двигателей для привода насосов можно использовать тепловые и электрические двигатели, Применение электрических двигателей для привода насосов ЖРД в настоящее время затруднено из-за отсутствия на борту ракеты мощных источников электроэнергии с малой массой Несомненно, что с развитием источников электрической энергии, непосредственно использующих химическую, ядерную или солнечную энергию, электрические двигатели будут применяться для привода насосов в ЖРД.

18 Рнс. !.11. ТНА двйгателя РД-119: 1 — диск турбины второй ступени, 2 — сопловай коллектор:  — диск турбины 1первай ступени1; 4, 13 — шпанки; 6, 11, 16 — шпильки; 6, 16 — крышки; 7, 1 — корпусе; В, 17 — колеса пентробежнык нвсасов; р, 20 — шнеки; 10, 12 — вилы; 11, 21, 22, 22 — под. шипниин; 12 — рессоре; 24 — вытлопной коллектор Практически в настоящее время для привода насосов используются лишь тепловые двигатели.

Для тепловых двигателей на борту летательного аппарата должен иметься запас топлива. Если рассмотреть два возможных вада тепловых двигателей поршневой двигатель и турбинную установку — в отношении их соответствия требованиям, предъявляемым к двигателям для привода насосов ЖРД, то явное преимущество остается за турбиной. Турбина позволяет получить большие мо1цности при небольшой массе конструкции. Высокая угловая скорость, отсутствие кривошипно-ползунного механизма, а следовательно и неуравновешенных сил инерции, прямоточное протекание рабочего тела обусловливают малую массу турбины.

Другим преимуществом турбин является легкость ее соединения с лопаточными насосами. Турбина позволяет получить высокую мощность, приходящуюся на единицу расхода рабочего тела, а это очень важно, как будет показано ниже, когда рабочее тело турбины выбрасывается, минуя камеру сгорания, Вопросы регулирования турбины также решаются сравнительно легко. Поэтому турбина является единственным типом двигателя, применяемым для привода насосов 7КРД.

Угловая скорость ее вала может быть более 4000 рад!с На рис. 1.1! изображен ТНА двигателя РД-119, состоящий из двух шнекоцентробежных насосных агрегатов и двухступенчатой турбины для их привода. 19 Рис. 1.!2, Турбонасосный агрегат для подачи водорода маршевого двигателя космического корабля «Спейс Шаттл»; т — вход в насос; 2 — выход иа насоса; 2 — колеса насоса; Š— вход в турбину; 5 — под. шипники; а — трехступенчатый насос На рис. 1.12 показан основной насосный агрегат для подачи жидкого водорода маршевого двигателя американского космического корабля многократного использования «Спейс Шаттл».

Трехступенчатый водородный насос развивает давление р = 43,6 МПа при со = 3360 рад/с. 1.4. СХЕМЫ СИСТЕМ ПИТАНИЯ С ТНА 1.4.1. Системы питания с предкамериой турбиной Разберем основные типичные схемы систем питания ЖРД с ТНА. Схема системы питания обусловливает конкретные требования к насосам и турбинам. Параметры насосов и турбин могут сильно различаться в зависимости от схемы системы питания. Особенно заметно она влияет на условия работы и параметры турбины. Условия работы турбины существенно зависят от того, подается ли газ после турбины в камеру сгорания или нет.

Примем это за основной признак для классификации систем питания ЖРД с ТНА. По этому признаку системы питания можно разделить на группы (рис. 1.13). Схему системы питания с подачей газа после турбины в камеру сгорания будем называть схемой с предкамерной турбиной (ЖРД с дожиганием), а схему без подачи турбинного газа в камеру сгорания будем называть схемой с автономной (независимой) турбиной (ЖРД без дожигания). В схеме с предкамерной турбиной давление на выходе из турбины (противодавление) велико, оно определяется давлением в камере 20 Госшема пошаноя ЖРД с 7Ы ую ппрачо го,п пао е псмпопы р номеру сгпраноя.схема ЖРЙУез св- жоганоя сссеио с айпанаинаа шурршсоЯ с ппаачео гпю после шцрроны р нпиеру сгараная,сгеиа мРд с оп- жогаюширс преанпиернпо шурпожсау Пра гонпоншнпа шаппоро Опон наманенш шоппооа папнаопью прпгпряш че- пмнеспаю пгюгодип через юнсронугсггиа с рп- рея спуршснуонемп с рпжоганоеи „газ -газ 1 жогпчоеи „газ-жорппсшьч папочная онергюс Пчя шурроиы Пне наиеры сгпгсаноя Иопочпоп гнгргоо аиш юурроны- нююра сшраноп Ропочсг шаю шурроньечюОугшьс раз сп.

неиш апчп- гшоюнгнпепго шашсссра Рппачее шепа шуропссы-поОуюпы сгораоя пснпаныг ноиссаншсшпр шаппссуа ьчъ ъь ф Яь и ъьь П „ь и сь ъи в ь и ььь ич $вьчь н ,,ь ь а ф ьй и ° „нь ' .ьък ьъе ъь и. -а ь6 В фиь ъь й ь в ь чъьй ьъь Е ъъй ий Ь ъь" ьь Рис. 1.13. Классификация систем питания ЯРД с ТНА ' сгорания ЖРД. р1хРД с предкамерной турбиной широко применяется в ракетной технике. В схеме с автономной турбиной противодавление значительно меньше, так как газ после турбины выбрасывается, минуя камеру сгорания. Развитие ЖРД началось с двигателей, выполненных по схемам этой группы. В случае применения системы питания с предкамерной турбиной полностью исключается снижение удельного импульса ЖРД из-за затраты топлива на питание турбины, Особенно большое преиму- щество имеет схема с предкамерной турбиной при высоких давле- ниях в камере сгорания 1выше 1О МПа), На рис.

1.14 показана типичная схема системы питания с пред- камерной турбиной и с газогенератором, работающим на основных компонентах топлива. Из баков компоненты поступают в бустерные насосы, которые позволяют снизить давление в баках и увеличить частоту вращения, а следовательно, уменьшить массу и габаритные размеры основного ТНА. Один из компонентов полностью про- пускается через газогенератор, а второй добавляется в количествах, необходимых для получения нужной температуры перед турбиной. Газогенератор может быть как с избытком окислителя — окисли- 21 Рис. !.!4, Схема системы питания )кРД с предкамерной турбиной, работающей на газе с избытком окислителя, с бустерными насосами: т — бак горючего; У вЂ” бак окислителя; 3— бусгерный насос горючего; 4 — турбина привода бустернога насоса горючего;  — бустер.