Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Очевидно, что характер взаимосвязи в работе агрегатов системы подачи не изменится и при других расходах топлива. С увеличением рв возрастает необходимое давление подачи, т, е. возрастает мощность, потребляемая насосами. Соответственно должна увеличиться и мощность турбины У„необходимая для привода насосов. Из уравнения (8.2) мы видим, что при заданном КПД т1, увеличение мощности турбины может быть достигнуто путем увеличения расхода 6т, величины ЯТ), перепада давления на турбине и,. Однако величина (ГгТ) для данного топлива определяется наибольшей допускаемой лопатками температурой рабочего тела и при заданных компонентах практически остается неизменной. Также можно считать неизменным и й — показатель адиабаты продуктов сгорания ЖГГ. Расход рабочего тела 6, для принятой схемы — также величина неизменная, так как один из компонентов целиком поступает в ЖГГ, а величина соотношения компонентов т определяется допускаемой температурой рабочего тела и при заданном типе ЖГГ (окислительный или восстановительный) остается величиной неизменной.
Таким образом, при повышении давления рв для увеличения мощности турбины необходимо повышать перепад на турбине и,. При этом располагаемая мощность турбины )Ч, изменяется по кривой 8 рис. 8. 2 Мощность, потребляемая насосами, в соответствии с равенством (8. 3) и с учетом выражения (8.9) при увеличении дв будет изменяться по кривой 2, соответствующей новому давлению в камере. Точка А' пересечения кривой 2 с кривой располагаемой мощности )т',=1(пт) дает значения перепада давлений тт,' и мощности ТНА У' при новом давлении в камере.
Определение Рн Величину рзш,„а также величины соответствующих ему значений перепада давлений п,,рс и мощности ТНА двигателей замкнутой схемы типа «г а з + ж и д к о с т ь» можно определить аналитически, приняв ряд упрощающих допущений. Выше отмечалось, что при заданных компонентах для принятой схемы расход на турбину О„ величина (ЯТ) и показатель адиабаты продуктов сгорания ЖГГ практически остаются неизменными. Для простоты анализа будем считать, кроме того, что КПД насосов горючего и окислителя, потери давления ЛР в линиях горючего и окислителя и давление на входе в насосы равны и не зависят от параметров работы установки, т. е. Чн Ч г Чн соп51; (8.11) Считаем также, что потери Лрн не зависят от параметров работы.
Тогда уравнение (8. 10) можно записать так: тЧт и (ру) 1 " т~ Р.)5 Рмгг Рн. т д (8 12) 75 й — 1 ?5ч, г г где а, а„ Ян = — '+ —" то (8.13) Отсюда ттт и т 321 При дальнейшем увеличении давления в камере мощность ТНА и перепад на турбине пор будут соответственно расти. Однако, как видно из рис. 8. 2, увеличение рз возможно только до определенного значения Рзгоннт при котором кривая потребной мощности У =)(ат) касается кривой Располагаемой мощности У,=1(пт) (точка М,). При давлении в камере большем, чем рзм,, необходимое давление подачи насосов возрастает настолько сильно, что потребная мощность насосов становится выше располагаемой мощности турбины при заданных компонентах, КПД турбины ч, и давлении на выходе из турбины. Можно, продолжая увеличивать перепад на турбине, и на заданных компонентах получить еще более высокую мощность, но при этом следует уменьшать давление на выходе, а следовательно, и давление в камере рн (точка А,).
Очевидно, что такой режим работы установки нерационален, так как при нем вся дополнительная мощность турбины за счет увеличения пт расходуется только на увеличение давления подачи. Давление же в камере сгорания рм а следовательно, и тяги двигательной установки остаются такими же, как и при режиме, соответствующем точке А', т. е, меньшими, чем при режиме работы с давлением Ратно,. Таким образом, при замкнутой схеме двигательной установки существует предельно возможное давление в камере сгорания рз „.
Величина этого давления определяется свойствами рабочего тела: (ЙТ),нт, гг, КПД насосов и турбины, потерями в трактах и типом применяемого ЖГГ (окислительный или восстановительный). Отношение 6,Яз назовем приведенной ил от н остью и обозначим у,р. Очевидно, для окислительного ЖГГ Унр (,,+1) У.У, (8.15) ожгг (отг+Уо) Для восстановительного ЖГГ (ожгг+1) Уоуг У, (ото+ Уо) (8.16) Обозначив постоянный множитель в уравнении (8. 14) (8.17) после преобразований получим 1 А Р2=( 1 отРжжг+ Рн.вх) ра 1 тхРз.
~т к,' (8.18) Здесь рз зависит только от перепада давлений я,. Для определения Рг„ох пРоизводнУю т(Рз/стпт пРиРавниваем нУлю. 'Рг (А аРжгг1 Р» вх) ~ А2Л вЂ” 1 1 0 дзт к', й к т Отсюда находим значение перепада давлений, соответствующее наибольшему возможному давлению в камере: 322 А 2Л 1)о — 1 (8.19) А — ЗРжгг.-1-Рн.в» Ь ! "-м=( - .„....
— ) Зная л„по уравнению (8. 18) находим значение рр Рз,х=(А — ЬР гг+Р„,,х) — — „, — ЬР,. 1 А (8.20) Кт.ор1 г орт Уравнения (8.19) и (8.20) позволяют при известных (или заданных) параметрах работы ТНА (г),; т)„; 6,; ЯТ) г; (;1 ) сразу определить Рз,х и пт,рс без постРоениЯ гРафиков типа, пРедставленных на рис. 8.2. Из совместного рассмотрения уравнений (8.20) и (8.17) следует, что величина рр„,х в значительной степени зависит от совершенства работы насосов и турбины (г)„и т),), свойств рабочего тела [тт и ()тТ) а также от действительного значения ЯТ) , т.
е. от качества работы ЖГГ. Значение Рз „можно также повысить, изменив схему двигательной установки. На рис. 8.3 приведен вариант замкнутой схемы установки типа «газ+жидкость». По этой схеме для подачи горючего в ЖГГ используется дополнительный насос 9. При этом, очевидно, давление подачи основного насоса горючего 8 будет ниже, чем давления подачи насосов 8 и 9. Это приводит к уменьшению мощности, потребляемой насосами, что, в свою очередь, позволяет уменьшить давление в ЖГГ при одновременном увеличении наибольшего возможного давления Рзот, . Схема Рис. 8.3 часто более Рациональна и пРи Рз(ррш„, так как при использовании дополнительного насоса схема замыкается при меньших давлениях подачи. Это, в свою очередь, приводит к улучшению весовых характеристик установки, в то же время введение дополнитель- ного насоса может привести к усложнению установки и снижению надежности.
Ри . 8.3. Двигательная установка с замкнутой схемой типа «газ+ с. а в ЖГГ: +жидкость» с дополнительным насосом для подачи топлива в Ж Г вЂ б окислителя; 2 †турби; а †нас окислителя; 4-оодача яродуктов сто. рани» на тид в камеру; 5 — камера двигателя; и — баь горючего; 7 — Ж а — основной насос горючего; у — дояолнительный насос горючего Возможности замкнутых схем типа кгаз+жидкость» с окислительным и восстановительным ЖГГ Рассмотренная выше замкнутая схема установки типа кгаз+жид.
кость» для определенности была взята с окислительным ЖГГ (так как схема с восстановительным ЖГГ имеет аналогичный вид, очевидно, весь проведенный выше анализ остается справедливым и для случая восстановительного ЖГГ). Однако при одинаковом давлении в камере основные параметры работы ЖГГ и ТНА при применении окислительного или восстановительного газогенератора сильно различаются. Дело в том, что для топлив ЖРД соотношение компонентов р обычно больше единицы, т. е. расход окислителя больше расхода горючего. Так как при замкнутой схеме «газ+жидкость» один из компонентов чаще всего полностью поступает в ЖГГ, расход рабочего тела на турбину при окислительном ЖГГ всегда выше, чем прн восстановительном ЖГГ. При этом, поскольку для большинства топлив (кроме топлив, использующих водород в качестве горю.
чего) увеличение ЯТ) в восстановительном ЖГГ за счет увеличения газовой постоянной продуктов сгорания сравнительно невелико, решающее влияние на располагаемую мощность турбины оказывает увеличение расхода 6,. На рис. 8.4 показаны типичные графики изменения располагаемой мощнбсти тУРбины Ф,=1(пт) пРи пРименении окислительного и восстановительного ЖГГ, работающих на топливе, имеющем чг>1, откуда видно, что при использовании окислительного ЖГГ при одном и том же давлении в камере величина п„а следовательно, давление в ЖГГ идавление подачи, при котором схема замыкается, ниже.
Ориентировочные расчеты показывают, что двигательная установка на топливе, использующем окислы азота как окислитель, при давлении в камере 100 ага (=10 Мн)уиз) и с окислительным ЖГГ замыкается при давлении в ЖГГ 140 — 180 ага (=14 — 18 Мн)мй), в то время как при восстановительном ЖГГ схема замыкается при давлении в ЖГГ 180 — 280 ага (=18— 28 Мн)мз). Применение окислительного или восстановительного ЖГГ влияет также и на величину рз „.
На рис. 8.4 точки Мо и М„в которых кривые 323 потребной мощности гт'„=)'(пт) касаются кривых располагаемой мощности турбины У,=)".(пт), определяют наибольшее достижимое давление в камере сгорания при окислительном или восстановительном ЖГГ в двигателе с т> 1. Однако в некоторых случаях практически может оказаться более рациональным применение восстановительного ЖГГ и при т> 1.
Дело в том, что лопатки турбины, работающей на восстановительном газе, допускают более высокую температуру рабочего тела, чем турбины, работающей на окислительном газе. Вследствие этого разница в давле- ~рг ро ро рг тт ятортетггортг пт Рис. 8. 4. Изменение располагаемой мощности турбины Мс=!(пс) при онислительном и восстановительном ЖГГ, работающих на обычном (не водородном) топливе: à — потребная мощность; р — М при онислительном ЖГГ: 3 — М при восстановительном ЖГГ киях, при которых схема замыкается при окислительном или восстановительном ЖГГ, уменьшается и решающими при выборе типа ЖГГ (окислительного или восстановительного) могут оказаться вопросы удобства регулирования, компоновки, надежности и т.
д. В двигателях, использующих в качестве горючего водород, в связи с весьма значительным увеличением газовой постоянной продуктов сгорания при а«1 решающее влияние на величину располагаемой мощности турбины оказывает увеличение (Г(Т) . Поэтому для водородных ЖРД с замкнутой схемой более рационально применение восстановительного ЖГГ. В настоящее время давления в камере сгорания еще значительно ниже предельно возможных значений. Основная причина в том, что с повышением давления рз давление подачи, при котором схема замыкается возрастает пропорционально, произведению я,рз. Вследствие этого трубопроводы и агрегаты системы подачи должны работать при очень высо ких давлениях, что приводит к значительному увеличению массы двигательной установки и снижению надежности ее работы.
Как один из примеров установки замкнутой схемы с восстановительным ЖГГ на рис. 8. 5 показаны схема и макет проектируемого двигателя К) -20Р, работающего по замкнутой схеме типа «газ+жидкость» иа топливе кислород+водород. Давление в камере 210 ага (20,6 Мн)мз), тяга 120 Т (1,!8 Мн). Ожидаемая удельная тяга около 430 кГ Гак/кг (=4300 н сек/кг).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
