Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 61
Текст из файла (страница 61)
Если для раскрутки ТНА применяются специальные турбинки, работающие от пиростартера, то их обычно выполняют осевыми, одноступенчатыми, парциальными. Характеристики турбин Зависимость изменения того или иного параметра работы турбины (мощности, крутящего момента, КПД и т. д.) от режима работы турбины (числа оборотов, расхода газа и т.
д.) называется х ар а ктер истикой турбины. Различают н о р м а л ь н ы е характеристики, т. е. зависимость между абсолютными параметрами работы, и универсальные, т. е. зависимость между комплексами параметс, ь е ров работы турбины. Построение раз- г,о 'ч ~ ч ар личных характеристик подробно рассмотрено в работах [132), (134). Для анализа совместной работы ' гга ат и турбины и насосов рассмотрим характеристику изменения мощности тур- г = гмр гга бины в зависимости от числа оборотов мт=/(п). Для простоты допустим, что Рнс.
7.31, изменение треугольников при постоянном перепаде давлений и, скоростей нрн изменении числа оао. расход газа, степень реактивности и ротов скорость газа шз не зависят от числа оборотов п. Рассмотрим изменение треугольников скоростей при изменении числа оборотов (рис. 7.31). За исходные примем треугольники скоростей при работе на расчетном режиме. Из рис.
7.31 видно, что если сг =сгг =«сопз11 тнз= тюгз = сопз1; то сг =сг в+и — и. = сопз1; (7. 69) 295 Подставив полученное в выражении (7. 69) значение сэ, в формулу (7. 44), получим а Ра = — (с„+с,„+и — и). л Крутящий момент турбины Ма= — Р, — = — (О„+ с,„,+и — и) —. 72 6 1) а (7.
70) При и=0 получим значение максимального крутящего момента Мк саах.' Мк щах= — (с1ар+саа р — (-и ) †. (7. /1) а 72 и Так как в выражении (7.70) все величины, кроме скорости и, не зависят от числа оборо. тов, зависимость М„='1(п) выражается пря- мой. Следовательно, О я ьт,<рт,< ит,< ига< рта М„=А,.
„— (М,.а,—.) и и) — ", (?.72) лр Обозначив Рис. 7. 32. Характеристики У, =((л) Р =- На.а а» (7. 73) получим Мк=- Мк.р[Р— (Р- 1) — "1. лр! (7. 74) Мощность турбины Ф Л', ='— '" 716,2 (7.?6) Подставив равенство (7. 74) в выражение (7. 75), получим характеристику изменения мощности по числу оборотов при постоянном расходе газа Д',=У„ рл р ( л„ (?. 76) Эта характеристика выражается параболой и представлена на рис.
7. 32. При различных расходах газа получим семейство характеристик. Приравнивая нулю .первую производную г(У,?с(п, находим число оборотов и, соответствующее максимальному значению мощности У, „и значение Утааах: и Ат — р 2( 1) ' ' '" 'р4(р — 1) (7, 77) 7.4 СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ТУРБИНЫ И НАСОСОВ 296 Характеристика совместной работы насосов и турбины определяется в первую очередь способом подачи рабочего тела на турбину— независимо от ТНА или от насосов, приводимых в действие ТНА. Первый способ обычно применяется при приводе ТНА от ПГГ, имеющего свою вытеснительную подачу (см., например, ракету А-4).
При этом подача компонента в ПГГ не зависит от работы ТНА. Во втором случае компоненты в ПГГ или ЖГГ подаются насосами ТНА. При этом подача уже зависит от режима работы ТНА. Рассмотрим совместное, протекание характеристик У=)(п) и запуск ТНА в каждом из указанных случаев. Совместная работа турбины и насосов при независимой подаче рабочего тела При независимой подаче параметры рабочего тела р'„„, Т",„ 6, остаются постоянными и не зависят от работы ТНА.
При этом согласно уравнению (7.76) характеристика турбины У,=)(п) пройдет, как показано на рис. 7.33. Насосы ТНА связаны с системой пойачи, имеющей свою гидравлическую характеристику. Для каждого из насосов согласно выражению (7. 42) У„=Сп'. Очевидно, и зависимость потребной мощности всех насосов можно выразить как чу С.
з Еггн и'прп" в Рис. 7. 34. К опенке устойчиво стп рабочего режима Рис. 7. ЗЗ. Характеристики совместной работы турбины и насосов прн независимой подаче рабочего тела Совместный график характеристик насосов и турбины показан на рис. 7.33. Точка А — рабочая точка, где ~~а '~т (7.79) При изменении числа оборотов от 0 до пр (раскрутка ТНА) имеем избыток мощности турбины (заштрихованиая область), т. е.
ЕУн+А7наг. При д = л мощность Агнае — — О. Устойчивость работы ТНА на рабочем режиме (точка А) определяется величиной угла между характеристиками насосов и турбины. При таком протекании характеристик, как показано на рис. 7.33, в точке А режим работы ТНА будет устойчивым, так как при случайном отклонении числа оборотов от расчетного получим избыток +АУ, (при и'с.пр) или недостаток — ЛУ, (при и")пр) располагаемой мощности, и система вернется в рабочую точку. Таким образом, условие устойчивой работы лху„ил', нп и (7.8!) Запас устойчивости определяется величиной ЛУ, при отклонении от рабочего режима, т. е. величиной угла между характеристиками (рис.7.
34). При малой величине угла между характеристиками (показано пунктиром) ЬУ, мало и может иметь место разброс значений У и тг рабочего режима (плавающий режим). Чем больше угол между характеристиками, тем устойчивее режим. 297 Раскрутка ТНА при независимой подаче рабочего тела Определим время раскрутки ТНА до рабочего числа оборотов. В формуле (7. 80) мощность ХМ расходуется на прокачку компо- нентов; избыток мощности У„б идет на раскрутку ТНА, т. е. тт изб А т ~А н. (7.82) Если 7 — момент инерции ротора ТНА и присоединенных масс жидкости, а ы — угловая скорость вращения ротора, то зон тбш А изб Уш —, У Пт Лб р Подставляя выражение для Ф„,б в равенство (7. 82) и интегрируя, найдем время раскрутки ТНА до выхода на рабочий режим р у из т, = с(иь 'тт 'т'и о (7.84) пз о~ и Совместная работа турбины и насосов при зависимой подаче рабочего тела При зависимой подаче в ПГГ или ЖГГ компоненты поступают в газогенератор от насосов ТНА.
В этом случае по мере увеличения числа оборотов ТНА от 0 до пр расход компонентов в газогенератор возрастает от нуля до расчетного расхода. Соответственно и давление в газогенераторе повышается до расчетного. Если соотношение компонентов в Ж1Т остается постоянным (или если газогенератор однокомпонент. ный — ПГГ), то температуру в газогенераторе можно считать постоянной. Располагаемая мощность турбины по мере увеличения расхода рабочего тела будет возрастать по кривой ОА (см.
рис. 7.32) до расчетной (точка А). При этом на всех режимах при числах оборотов, меньших расчетного, характеристика 1у',='1(п) пройдет ниже характеристики прн постоянном расходе, во-первых, вследствие уменьшения расхода и, во- 29з Рно, паз сонрншоооо Определение тр обычно производится численным времени нынола нн интегрированием. Чем меньше У и чем больше М„зб, режим унолнчот1неи тем быстрее протекает раскрутка ТНА. С этой точки росно~о Рн~оиого тото зрения присоединенные массы жидкости должны быть меньшими. Однако если производить раскрутку насосов без присоединенных масс (т. е.
без компонентов) и затем включить подачу ком. понентов в насосы, получится сильный гидравлический удар, который может разрушить ТНА. Поэтому часто начинают раскрутку ТНА и заполнение насосов одновременно, получая при этом некоторый выигрыш во времени выхода на режим. Для уменьшения времени выхода на режим можно до определенного числа оборотов п, (рис. 7.35) подавать на турбину больший расход, что обеспечит больший избыток мощности анно при выходе на режим.
При достижении числа оборотов п, (точка В) расход рабочего тела уменьшают до номинального. В ТНА мощных ЖРД, имеющих большие вращающиеся массы, время выхода на режим тр может достигать значительных величин. Однако большие значения тр означают лишний расход топлива; кроме того, для ряда ракет (верхние ступени космических ракет, зенитные ракеты и т. д.) желательно иметь тр возможно меньшим. Обычно значения т„достигают нескольких секунд (у двигателя Н-! тр=1,2 сек). вторых, вследствие резкого увеличения потерь при работе на нерасчет ных режимах с уменьшенными расходами рабочего тела. Характеристики совместной работы насосов и турбины для двух возможных случаев приведены на рис. 7.36.
В первом случае (рис. 7. 36, а) кривая располагаемой мощности Ж,=1(л) во всем диапазоне чисел оборотов от 0 до ар пройдет выше кривой потребной мощности Е)уи=1(л). Этот случай принципиально не отличается от раскрутки насоса при независимой подаче рабочего тела. Однако избыток мощно- ЕЯи гр и -1уиаб б) Рис. Х 36. Характеристики совместной работы турбины и на- сосоа при зависимой подаче рабочего тела сти турбины №„б будет значительно меньше (заштрихованиая область), вследствие чего время выхода на режим резко возрастет. При работе ТНА с зависимой подачей часто может встретиться второй случай, когда при начале раскрутки располагаемая мощность меньше потребной (рис.
7,36,б) Лl,(№и т. е. до точки и для раскрутки ТНА необходимо постороннее воздействие от специального стартового устройства. Характеристика располагаемой мощности дважды (в точках В и А) пересекается с характеристикой потребной мощности. В точке В режим неустойчивый. При смещении вправо от точки В ТНА будет набирать обороты; при смещении влево ТНА заглохнет; в точке А режим работы устойчивый. Раскрутка ТНА при зависимой подаче рабочего тела При зависимой подаче рабочего тела задача раскрутки ТНА сводится к тому, чтобы с помощью пускового устройства (стартера) «забросить» ТНА на режим с числом оборотов большим, чем пыы (точка В). Как мы отмечали ранее (З 6.2), для раскрутки могут использоваться стартеры с ПАД, со сжатым газом и с ПГГ, имеющим независимую подачу. В некоторых случаях избыточная располагаемая мощность прп раскрутке создается за счет подпора в топливных баках и напора столба компонентов.
Характеристики совместной работы турбины и насосов при запуске с помощью стартера показаны на рис. 7. 37. Пусковое устройство рассчитывают из условия обеспечения п,,„=(1,1 —;1,2)л м. При этом время раскрутки до и „,„определяется условием, аналогичным условию (7.84): нтск (7.85) '~ пуск ~~ н о Чем мощнее пусковое устройство, тем меньше т т,„, но и тем больше его масса, что особенно надо учитывать, если устройство размещаетсч на ракете. Благодаря высокой надежности (=99,8%) большое распро- странение получили стартеры с ПАД.
На рис. 7.38 показан ПАД для двигателя Н-!. В ПАДе три пороховых шашки, расположенные телеско- пическн. При раскрутке ТНА установок Ф с замкнутой схемой при выборе типа пускового устройства и компоновки ТНА следует учитывать, что в случае использования стартера с ПАД продукты сгорания ПАД, как правило, имеют отрицательный кислородный баланс. Поэтому, если ЖГГ окислительный, то во избежание опасности заброса температуры при догорании продуктов сгорания ЖГГ н пороховых газов целесообразнее ставить стартовую турбину.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
