Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Удельная вибронагруженность ТНА представляет отношение мощности потерь Лг„тих к массе и!тггА! 'птнА Л и тннгглтггА (5.68) Мощность потерь в ТНА равна сумме потерь в насосах и в турбине: Лпт!гА !'п.пн ( Лп и+Лп (5.69) где Лгп „„Л'. „, Л'и „„, Л'и и — мощности потерь насоса окислителя, насоса горючего, газазогераторного насоса и турбины. Для насоса мощность потерь равна разности полной (потребляемой) мощности и полезной, а для турбины — разности располагаемой адиабатной мощности и эффективной: Лп.н = Лгн А!поп = Лн (1 ' Чн)~ (5.70) (5.71) После преобразований выражения (5.68) с помощью соотношений (5.49), (5.67), ..., (5.71) получим ОтнА = Лтп(1 — Чтнн)гЧг (5.72) Из формулы (5.72) видно, что удельная вибронагруженность ТНА уменьшается с увеличением КПД насосов н турбины: при Ч- 1 величина ЗгнА — О.
Значение 5тнА составляет 20 ... 100 кВтУкг. При большой удельной вибронагруженности ТНА, превышающей 60 КВт/кг, вибрации достигают высокого уровня, при котором энергия вибраций уже не поглощается конструкцией. Могут возникать дефекты и разрушения ТНА, что требует при отработке дополнительного совершенствования конструкции (увеличения жесткости и прочности элементов ТНА, повышения КПД насосов и турбины и т. п.). 5. го. АлГОРитм РАсчетА тнА КАк злементА сАИР ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК С ЖРД 5.10.1. Общие сведения Развитие возможностей вычислительной техники и совершенствование теории процессов, происходящих в двигательных установках (ДУ) с 7КРД, позволяют создать систему автоматизированного проектирования (САПР).
САПР дает возможность при сокращении трудоемкости проведения расчетов увеличить глубину и точность проектных проработок, обеспечить получение оптимальных решений. Это в конечном счете приводит к сокращению сроков и 326 Рис. 5.24. Структурная схема влияния параметров системы питания арах с дожяганием на целевые функции оптимизации двигательной установки (з(У): р, т — давление н температура компонентов гоплнва; юп — масса; «и.
㻠— полезный груз «б» вЂ” таплнввые баки; «д» — двигатель, «с. и» вЂ” снстемы пи»анна двжагеля; «б. н»вЂ” бустерный насос; «н» — насос ТНА; «труỠ— трубопроводы двигателя; '«авт» — агрегаты ввгоматккн затрат на создание ДУ, уменьшает вероятность их морального старения. Разработка ЖРД ведется в соответствии с техническим заданием (ТЗ) разработчика ДУ. В ТЗ определяется схема ЖРД (с дожнганием, без дожигания), топливо и основные параметры: тяга, удельный импульс тяги, давление на срезе сопла, давление и температура компонентов топлива на входе, масса ЖРД и др.
Эти данные определяются разработчиком ДУ в результате вариантных расчетов на ЭВМ с использованием модели ДУ. Модель ДУ позволяет оптимизировать параметры ДУ (в том числе и параметры ЖРД). При этом могут быть поставлены различные цели оптимизации, т. е. достижения оптимума (максимума или минимума) различных целевых функций. В качестве целевых функций принимается полезный груз, выводимый ступенью (или приращение скорости), начальная масса ДУ.
Параметры системы питания ЖРД, в том числе и ТНА, существенно влияют на целевые функции (рис. 5.24, 5.25). Так, уменьше- Рнс 5 25. Структурная схема влияния параметров системы питания ЖРЛ без дожнгзння па целевые функции оптимизации двигательной установки. — удельный импульс тяги госгальные обозначения ем. в подписи к рнс, 5.24) у 327 ние давления и температуры топлива на входе в систему питания приводит к уменьшению массы баков и, следовательно, массы ДУ. Увеличение частоты вращения ТНА уменьшает его массу, что ведет к снижению массы ЖРД и ДУ. К таким же результатам ведет повышение КПД ТНА (КПД насосов и турбины) ЖРД с дожиганием (см.
рис. 5,24), так как позволяет уменьшить необходимое давление на выходе насосов, а также давление и температуру на входе в турбину (в газогенераторе). В ЖРД без дожигания (см. рис. 5.25) увеличение КПД насосов и турбины приводит к уменьшению расхода газа через турбину, что повып1ает удельный импульс тяги и ведет к росту полезного груза ступени. При разработке ТЗ проводятся проектные расчеты на ЭВМ с использованием модели ЖРД.
Пелью расчетов является оптимизация параметров агрегатов ЖРД (в том числе и ТНА). При этом целевыми функциями могут быть температура и давление газа перед турбиной, угловая скорость ТНА и др, Полученные оптимальные параметры агрегатов ЖРД являются исходными при их проектировании. Для ТНА исходными параметрами могут быть угловая скорость, расходы компонентов топлива, газа через турбину, давления на входе и выходе насосов и турбины, температура компонентов и газа. Модель ЖРД, как и модель ДУ, представляет комплекс машинных программ, описывающих процессы в агрегатах и системах ЖРД, .а также связи между ними, т. е. модель строится по модульному принципу (модуль-программа).
Модуль-программа предпочтительнее одной сложной программы. Модули можно широко использовать для решения частных задач (расчет агрегатов или систем при проектировании, анализ процессов в агрегатах при отработке, в том числе при проявлении неисправностей и отказов) без использования всей модели, что более экономично. Помимо этого, ускоряется машинная отладка модели и упрощается совершенствование модели, сводящееся к совершенствованию и увеличению числа модулей, проводимым обычно в разное время. Модуль-программа включает алгоритм расчета, пакет перфокарт (перфолент, магнитных лент) н инструкцию для пользователя.
Алгоритм является совокупностью математических соотношений, расположенных в последовательности, определяющей процесс расчета, преобразования исходных данных в искомый результат. Алгоритм отражает уровень знаний о рассма~риваемом процессе и основывается на теории процесса, Он переводится на машинный язык с последующей разработкой пакета перфокарт (перфолент, магнитных лент) для определенного типа ЭВМ. Алгоритм является определяющей частью программы, так как он сохраняется при переходе с одного машинного языка на другой (с одного типа ЭВМ на другой тип).
Отсюда следует, что разработка алгоритма является необходимым условием разработки программ САПР. Далее рассмотрен вопрос оптимизации основных параметров ТНА и приведены алгоритмы гидравлического расчета шнекоцентробежных насосов окислителя и горючего, а также газодипамического 328 расчета предкамерных и автономных турбин. Алгоритмы основаны на теории насосов и турбин, изложенной в разд. 3 и 4. Приведены примеры расчетов насосов и турбин с использованием указанных алгоритмов. Результаты расчетов являются исходными для разработки конструкции ТНА и последующей оптимизации его прочностных характеристик.
5.10.2, Оптимизация основных параметров ТНА 5.10.2Л. Выбор параметров ТНА е автономной турбиной Система питания ЖРД с ТНА (см. равд, 1.4) может иметь автономную или предкамерную турбину. Выбор той или иной схемы определяется назначением ЖРД. Как правило, в ЖРД средних и больших тяг используют схему с предкамериой турбиной (схему с дожиганием), позволяющую получить болыпий удельный импульс тяги, В ЖРД с предкамерной турбиной можно иметь высокие давления в камере сгорания, так как в ней отсутствует выброс газа после турбины, понижающий удельный импульс тяги. Система питания с предкамерной турбиной может быть выполнена по различным схемам.
Параметры системы питания — расход газа через турбину, давление на выходе из насосов, температура и давление перед турбиной (в газогенераторе), частота вращения ТНА и т. п. — определяются схемой системы питания. Схема системы питания определяет также конструктивные особенности насосов и турбины ТНА. В настоящем разделе рассмотрены вопросы выбора системы питания и определения основных параметров системы питания при заданных тяге, удельном импульсе тяги и соотношении компонентов топлива в ЖРД. Выбор схемы питания и определение ее основных параметров всегда предшествуют подробному расчету ТНА, так как они определяют параметры, на которые должны быть рассчитаны насосы и турбина, и возможные алгоритмы оптимизации.
Сначала рассмотрим схему питания с автономной турбиной как более простую. В системе питания с автономной турбиной (схема ЖРД без дожигания) для привода турбины используется восстановительный газ, вырабатываемый в газогенераторе (см. рис. 1.!7). Использование восстановительного газа не связано с опасностью возгорания металла при высоких температурах газа, которая существует при применении окислительного газа. Поэтому для неохлаждаемых турбин можно допустить более высокую температуру восстановительного газа (1000 ... 1200 К), чем окислительного (500 ...
800 К). Кроме того, газовая постоянная больше у восстановительного газа. Все это способствует уменьшению необходимого расхода газа через турбину и,. Расход те является одним из основных параметров системы питания с автономной турбиной. Чем меньше т„тем более высоким будет удельный импульс тяги ЖРД (см. рис.
5.25). Обеспечению наименьшего значения т, подчинен выбор типа и параметров насо- 329 сов и турбины ТНА. Расход т, находят из условия равенства (баланса) мощностей насосов и турбины ТНА: А'ок + А(г — АГг. (5.73) Выражение (5.73) можно переписать в виде лгоктток/Чок -т глгог!г)г = глгт-о од11к (5.74) Расходы компонентов топлива гйо„и гй„определяются тягой, удельным импульсом и массовым соотношением компонентов топлива в ЖРД с учетом расхода компонентов на привод турбины (см. равд. 1.4). Напоры насосов Но„и Н, могут быть найдены по давлению в камере сгорания рк и по сопротивлению напорных магистралей окислителя и горючего (см. разд. !.1). КПД насосов г1,„и г1г можно оценить с помощью зависимостей, приведенных на рис.
3.27, по значению коэффициента быстроходности п„см. формулу (2.!64). Выразим ы через кавитационные параметры насоса окислителя с помощью формулы (3.146). Тогда выражение (2.164) примет вид и =0365 ~ ' ~ ' (5.75) ьг аь зм (гг( )3/4 ' где 1,„ — число входов в первую ступень насоса окислителя; г— число ступеней насоса. Подставив в соотношение (5.75) соответствующие значения О и г для насоса окислителя или насоса горючего, получим значения коэффициентов быстроходности п„к и л,г. Из рис. 3.27 следует, что определенному диапазону значений п„ соответствуют большие значения КПД насосов и, следовательно, меньшие потребляемые мощности.
Уменьшение мощности насосов, см. формулу (5:74), снижает расход газа через турбину т„поэтому надо стремиться к повышению КПД насосов. При сочетании параметров, приводящем к малым л„можно его увеличить, чтобы повысить КПД насосов и, следовательно, КПД ТНА. Из выражения (5.75) видно, что увеличение и, достигается увеличением Со„,,к. Для этого насос окислителя следует выполнять с перерасширенным входом в шнек (большие значения Ко ). ш В отдельных случаях насос окислителя целесообразно выполнять с двусторонним входом (!ок =- 2). Увеличить л, и, следовательно, повысить КПД можно путем выполнения насосов не одноступенчатыми, а многоступенчатыми (например, с двумя ступенями: г =-- 2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
