Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 93
Текст из файла (страница 93)
СИСТЕМЫ НАДДУВА В ЖРД с насосной подачей топлива поддержание заданного давления в топливных баках обеспечивается системой наддува. В зависимости от принятой схемы и условий запуска ЖРД различают системы предварительного (предстартового) и основного (полетного) наддува. Работа системы наддува аналогична работе вытеснительной системы подачи. По аналогии с системами питания системы наддува разделяют в зависимости от метода генерации газа на автономные и насосные. Автономные системы наддува.
В качестве автономных систем наддува могут быть использованы все без исключении ВПТ. Наиболее широко применяют системы с АСГ, ЖГГ различных типов и ТГГ. Использование АСГ (см. рис. 13.10, 13.11; 13.14) для наддува топливных баков объясняется в первую очередь высокой степенью ее отработанности. Для улучшении характеристик АСГ, применяемой в качестве системы наддува, возможно использование подогрева газа (непрерывного или импульсного). Системы АСГ прямого расширения можно эффективно использовать для обеспечения стартового наддува топливных баков. В системах наддува используют сверхкритическнй и импульсный ТГГ.
Импульсный ТГГ рационально применять для ракет, баки которых рассчитаны на значительные эксплуатационные перегрузки, так как это позволяет допускать достаточно большое временное увеличение давления в баках. Системы АСГ и ТГГ применяются также для стартового наддува топливных баков в ЖРД, использующих насосные системы наддува (см. рис. 13.18). 468 Достоинства автономных систем наддува обусловлены независимостью работы системы наддува от условий работы других систем ЖРД и сводятся к возможностям доводки отдельно от двигательной установки, простоте регулировки на ракете, независимости параметров наддува от режима работы ЖРД, подбору оптимальных параметров газа наддува. Часть агрегатов системы наддува может быть размещена на наземных стартовых установках и связана с топливными баками через соответствующие магистрали (бортовые разъемы), герметизирующиеся после старта ракеты.
Общий недостаток всех автономных систем наддува — большие массы и габариты, что ограничивает их использование в современных ЖРД. Такие системы применяют в основном для обеспечения стартового наддува топливных баков в сочетании с насосными системами наддува нли при использовании компонента топлива, для вытеснения которого обязательно применение специально выбранного газа. Насосные системы наддува. В насосных системах один или несколько процессов, обеспечивающих наддув бака (подача компонентов газогенерации или генерация газа наддува).
осуществляются с помощью систем подачи ЖРД. В некоторых случаях для наддува одного и того же бака применяют наряду с насосной автономную систему наддува, которая необходима для обеспечении предварительного наддува при запуске, когда система подачи двигателя еще не вышла на режим. Практически во всех как действующих, так и перспективных ЖРД работа насосных систем наддува основана на отборе топлива в ЖГГ наддува за насосами ТНА В насосных системах наддува в качестве источника газа можно использовать также ЖГГ, обслуживающий ТНА двигателя.
Основные недостатки этих систем — невозможность осуществления стартового (до запуска двигателя! наддува баков и длительный период наддува свободного объема баков при запуске. Во многих случаях это приводит к необходимости введения дополнительных автономных систем, обеспечивающих стартовый наддув. Рассмотрим некоторые виды насосных систем наддува.
Наддув от однокомпонентиого ЖГГ. Схемы систем наддува такого типа даны на рис. 13.15 — 13.17. При использовании продуктов газогенерации одиокомпонентных ЖГГ для наддува баков с компонентами топлива, обладающими малой химической сТойкостью и термостабильностью, может возникнуть необходимость специальных мер по исключению контакта газа с топливом (применение эластичных оболочек, поршней, мембран и т.
д.). Наддув от испарительного ЖГГ. Эта система получила преимущественное распространение для наддува баков с криогенными топливными компонентами (кислород, водород, фтор и т. д). Теплота, необходимая для работы испарительного ЖГГ, может отбираться либо от отработавших газов ТНА, либо от камеры. На рис: 13.20 приведена схема насосной системы наддува с испарительным ЖГГ. 469 Достоинства этой системы — простота, высокая эффективность и хорошие массовые характеристики, что обусловливает возможность ее широкого использования в современных ЖРД различного типа и назначения. Наддув от двухкомпонентного ЖГГ.
В таких системах обычно используются два ЖГГ, один из которых вырабатывает окислительные продукты газогенерации (для наддува бака окислителя), другой — восстановительные (для наддува бака горючего). Возможен вариант, при котором часть газа, вырабатываемого в одном из газогенераторов (в качестве такого газогенератора можно использовать газогенератор ТНА), направляется на наддув одного топливного бака. Остальной расход газа, предназначенный для наддува, направляется во второй газогенератор (смеситель), где дожигается илн балластируется другим компонентом топлива с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимый состав газа, идущего на наддув второго топливного бака (см.
рис. !3.!8) Для поддержания заданного химического состава, температуры и давления газа в топливных баках могут быть введены в систему наддува теплообменники или вторичные испарительные системы, предназначенные для охлаждения продуктов газогенерации до их поступления в баки, а также регуляторы, поддерживающие заданное давление газа. Если в составе продуктов газогенерации возможны твердые ПС, то в схему системы наддува вводят сепарационные и фильтрующне устройства различного типа.
Наддув с помощью непосредственного в п р ы с к а. Этот наддув применяют лишь при использовании в двигателе некоторых самовоспламеняющихся топливных компонентов Схема наддува относительно проста, однако практическое ее применение ограничено из-за сложности организации процесса генерации газа непосредственно в топливном баке. Наддув газом, отбираемым изКС. Схемасистемы наддува приведена на рис, 13.13. Основные условия работоспособности такой системы наддува — снижение температуры газа до величины, исключающей нагрев элементов конструкции бака вы!не расчетной температуры, а также исключение возможности попадании твердых ПС в топливо и возникновения пульсаций или резкого увеличения давления в топливных баках.
Эти условия обеспечиваются введением веществ, изменяющих химический состав и температуру газа, поступающего в баки (иногда роль такого вещества выполняет компонент топлива), установкой соответствующих сепаратов, фильтров, демпфирующих объемов и дроссельпых шайб в газовом тракте. В одной установке могут применяться различные системы наддува — каждая для своего бака. Например, при использовании топливной пары жидкий кислород — керосин наддув бака кислорода может осуществляться от испарительного ЖГГ, а наддув бака керосина— от двухкомпонентного ЖГГ.
470 й 13.3. БУСТЕРНЫЕ НАСОСЫ Для снижения давления наддува топливных баков в некоторых типах ЯРДУ используются бустерные насосы, обеспечивающие дополнительное повышение давления на входе, в основные насосы двигателя. Рнс. !3.21. Схема применении бустерных насосных агрегатов н ЖРД со сбрасываемыми баками: 1 — регулятор ЖГГ; 2 — ЖГГ; 3 — регулятор соотношения компонентов; 4 — ТНА; 5 — пусковое сопла; 6 — двухходовой кран: 7 — бак горючего второй ступени, 8 — кольцевой бак горючего первой ступенн; 2 — бортовой раэьем; 10 — абрагнмй кла!га!г; П вЂ” бак окнслнтеля второй ступени; !2 — кольцевой бак окнслнтеля первой ступени; 13 — бустернмй насос ТНА окислителя; и — бустернмй насос ТНА горючего. На схеме волнистой линией условно отделепм агрегаты первой (сбрасмваемой) ступенн Рис.
13.22. Схема турбоиасосной системы питании со струйными бустерными насосами: ! — пусковой кран; 2 — лини» вакольцавкн горючего; 3 — ТНА; 4 — пнростаргер; 5 — линия подачи эжектнрующего горючего; 6 — линия подачи горючего к ТНА; 7 — энгектор горючего; 8 — бак горючего; 6 — эжектор окислителя; Ю вЂ” бак окнслнтеля: П вЂ” лнвня аакольцовкв окислителя; П вЂ” лннпя цодачк эжектнрующего окнслнтеля: 13 — лини» подачи окнслнтеля к ТНА; !4 — регуляпгр тяги; 15 — 7КГГ; 16— регулятор 7КГГ; !7 — регулятор саотноше.
нн» компонентов 471 Бустерные насосы устанавливают в топливных магистралях, соединяющих баки с насосами ТНА, или непосредственно во внутреннем объеме топливных баков. В последнем случае давление наддува снижается на величину, обусловленную различием кавитационных характеристик бустерного и основного насосов и гидравлических сопротивлений по трубопроводам низкого давления. Для привода бустерных насосов необходим автономный источник механической энергии. Блок бустерного насоса и привода называют бустерным насосным агрегатом (БНА). Для иллюстрации возможных вариантов БНА рассмотрим схему, представленную на рис.
13.21, Схема построена таким образом, чтобы обеспечить возможность отделения и сброса в полете баков, из которых выработаны топливные компоненты. БНА использован для перекачки топливных компонентов в расходный бак и отделяется от ракеты вместе со сбрасываемым баком. В качестве бустерных насосов могут быть использованы осевые шнекоцентробежные и струйные насосы. На рис. 13.22 показана схема системы питания со струйными бустерными насосами.
5 1ЗХЬ ЗАПУСК ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Запуском ЖРД называют режим работы двигателя от первой команды на его включение до выхода на основной режим. При запуске проходят операции и связанные с ними процессы, обусловливающие переход двигателя от состояния стартовой готовности (подачи первой команды на включение) к работе на основном режиме. При запуске в КС н агрегатах имеют место нестационарные процессы, от условий протекания которых зависят эксплуатационные характеристики и надежность ЖРД. Например, гидравлические удары, возникающие при запуске, могут нарушить нормальную работу ЖРД или даже привести к его разрушению. Обеспечение надежного запуска является сложным и ответственным этапом проектирования и доводки двигателя.
Наибольшее количество отказов ЖРД (по зарубежным данным до 86%) происходит при запуске. Стартовая готовность и стартовые операции. Перед запуском ЖРД ЛА должен находиться в состоянии стартовой готовности. Это означает, что весь цикл последующих, вплоть до старта, операций может быть осуществлен без непосредственного вмешательства (присутствия на стартовой площадке) обслуживающего персонала. В общем случае во время запуска ЖРД выполняются следующие операции: наддув топливных баков до заданного давления; для ЖРД, использующих криогенные компоненты топлива, — захолаживание топливных магистралей; вывод систем подачи топлива на заданный режим работы; для ЖРД, использующих несамовоспламеняющиеся компоненты топлива — создание начального очага горения в КС и ГГ, обеспечивающего воспламенение поступающих туда пусковых расходов топлива; открытие топливных клапанов, обеспечивающиХ' поступление компонентов топлива в КС и ГГ; для двигателей с программированным запуском — осуществление автоматической после- 472 довательности срабатывания пускорегулирующих систем, обеспечивающих выход двигателя на заданный режим тяги.
Например, на рис. 13.13 приведена схема ДУ с запуском от наземного пиротехнического устройства, наддувом топливных баков и стартовой рас. круткой ТНА от наземного источника газа; Вышеперечисленные операции характерны; но не обязательны для любого типа ЖРД. Они могут быть дополнены или сокращены в зависимости от конкретно заданных требований.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
