Овсянников Б.В., Боровский Б.И. - Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей (1049253), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Наибольшего эффекта можно ожидать для насоса горючего, который из-за малого объемного расхода Г и большого напора О обычно имеет в одноступенчатом варианте малый коэффициент быстроходности. Окончательно выбрав конструкцию насосов и определив (принимая Сорк „, —— 3000 ... 4000 и Ко = 6,5 ... 7,5) их КПД (г1ок, г1г), можно из уравнения баланса мощностей (5.74) найти необходимый расход газа через турбину и„. При этом КПД турбины т1, определяется по соотношениям разд.
4.5.4, Напомним, что давление иа Ир Входе в турбину (давление в газогенераторе) определяется давле. пнем на выходе из насоса окислителя, меньшим давления на выходе насоса горючего (при охлаждении камеры сгорания горючим). Давление на выходе из турбины зависит от того, выбрасывается ли газ непосредственно в окружающую среду или через дополнительные сопла (см. равд, 1.4). Для уменьшения расхода т, следует увеличивать коэффициент работы Е, и в отдельных случаях (см. равд.
4.6.2,2) следует применять двухступенчатую активную турбину со ступенями скорости, если это приводит к повышению КПД турбины. Обычно при определении параметров системы питания ЖРД с автономной турбиной исходят из необходимости получения наименьшего расхода газа через турбину т,. Однако иногда т, бывает заданным. Это имеет место, когда газ после турбины подается в специальные рулевые сопла, создающие тягу для управления полетом ракеты.
В этом случае расход газа через турбину определяется соотношением т, =- Ро,г!„, „ где Р„1„, — соответственно тяга и удельный импульс тяги рулевых сопл. Давление на выходе из турбины будет также задано — оно определится давлением на входе в рулевые сопла. В этих условиях мощность турбины, необходимая для привода насосов, обеспечивается соответствующеи адиабатной работой турбины, см, формулу (4.3), т. е, выбором температуры и давления газа на входе в турбину. Так как при этом расход газа через турбину болыпе, то температура и давление будут меньше, чем в том случае, когда стремятся получить расход т, наименьшим. В отдельных случаях при больших тягах рулевых сопл (больших расходах через турбины т,) для получения необходимой мощности турбины идут на перепуск части газа в сопла, минуя турбину, ибо дальнейшее уменьшение температуры и давления на входе в турбину (в газогенераторе) может привести к неустойчивому процессу горения в газогенераторе.
бя0.2.2. Выбор параметров ТНА с преакамерной турбиной Особенность системы питания с предкамерной турбиной состоит в том„что расход газа через турбину т, является заданным. Он определяется расходом того компонента топлива, на избытке которого работает газогенератор. В схеме с окислительным газогенератором это расход окислителя.
Для такой схемы (см. рис, 1.14) уравнение баланса мощностей (5.73) можно записать в виде г"окггок + гйг14г й ~ + Кгг 1 (5.76) Чок Чг " Кгг гаек ° 1+ Кгг так как т, = ток (-т, = ток+ — == т„к . Здесыигг— гг Кгг расход горючего через газогенератор; К вЂ” массовое соотношение компонентов топлива в газогенераторе. 331 Расходы компонентов ги,„и ги, определяются тягой, удельным импульсом тяги и массовым соотношением компонентов топлива в ЖРД (см. равд. 1.1). Напоры насосов зависят от давления в газогенераторе; Нок (Рвых Рвх)о»1рои — (Ргг + Лрмаг, ок Рвх. ок)!Рок Нг (Рвых Рвх)г'Рг — (Ргг + Лрыаг.
г Рах, г)!Рг Где Лр„,г. „„Лр,г, „— соответственно потери давления магистралей окислителя и горючего от выхода из насоса до входа в газогенератор (с учетом сопротивления форсунок). Обычно Лр„,г,,к = =! ... 2 МПа, Лрыаг,„= 3 ... 4 МПа. Давление на выходе из насоса гоРючего Р„,„г = Ргг -' Лрмаг.г не должно быть меньше давления, необходимого для подачи горючего В КаМЕРУ СГораНИЯ Рвыт г = Р» Лрмаг г ГДЕ Лрмаг г ПОТЕРИ давления в магистрали от выхода из насоса до входа в камеру сгорания, включая потери давления в охлаждающем тракте камеры сгорания.
Обычно Лр„',„„=- 7 ....9 МПа. Если окажется, что Рвых. г ) Рвых. г, ТО Наной Нг НУЖНО ОПРЕДЕЛЯТЬ ПО ДаВЛЕНИЮ Раы» . КПД насосов можно оценить, как при системе питания с автономной турбиной (см. равд, 5.10.2.1), по коэффициенту быстроходности и„подсчитанному по формуле (5.75).
Так как п, зависит от Н, а Н зависит от р, см. формулы (5.77) и (5.78), то КПД насосов также зависит от давления в газогенераторе рг, Расход ги„известен, а КПД предкамерпых турбин с полным подводом (е = 1) равен 0,75 ... 0,85 при обычных для этих турбин и!Оак — — 0,4 ... 0,8, поэтому мощность турбины определяется адиабатнои работой 7.„к. Давление на выходе из турбины р, определяется давлением в камере сгорания, в которую поступает газ после турбины; р, — р„+ + Лрмаг т ГДЕ Лргмы — ПОТЕРИ ДаВЛЕНИЯ В МаГИСтРаЛИ, ОтВО- дядей газ от турбины в камеру сгорания.
Обычно Лрмаг т = = 1 ... 1,5 МПа. Поэтому адиабатная работа 7.„к зависит от температуры Т„ и давления на входе в турбину р„, которое связано С ДаВЛЕНИЕМ В ГаЗОГЕНЕРатОРЕ: Р„= Є— Лрмаг.т ГДЕ Лрмаг.т потери давления в газоводе, отводящем газ из газогенератора в турбину. Обычно Лрыа„, = 0,5 ... 1 МПа. Отметим, что температурой Тоо определяется значение Кт. Таким образом, при расчете системы питания с предкамерной турбиной из параметров, Определяющих мощности насосов и турбины, неизвестными являются давление в газогенераторе ргг и температура газа перед турбиной (в газогенераторе) Т„. Их значения определяются уравнением баланса мощностей 'насосов и турбины (5.76).
Обычно из соображений прочности турбины и стойкости к возгоранию задаются температурой окислительного газа при неохлаждаемой турбине Т„=- 600 ... 800 К и находят из условия баланса мощностей необходимое давление в газогенераторе р„г. Иногда 332 Рис. 6.26. Графики для определения даилеиия а газогенераторе системы питания с иредкамериой турбиной: 1 рк' г — рк ) рк: Э вЂ” рк. пред ) рк, '4— 4 к Г" к. иред "гг гуг может быть задано р, тогда определяется необходимая температура Т„,. При заданной температуре Таа вывести из формулы (5.76) ана- Ргг ' Ргг ргк ргг литическое выражение дл я необходимого давлен н я Р затруднительно .
Поэтому значение Р определяют графическим путем . ДЛя ряда ЗиаЧЕНИй ри, ОирЕдЕЛяЮт СуММу МОщНОСтЕй НаСОСОВ Л4,„+ + гтт, и мощность турбины Л', (кривая ! на рис. 5.26). Давление Рг„, при котором соблюдается баланс мощностей, см. формулы (5.76), ..., (5.78), является искомой величиной. На рис. 5.26 это р„„(из значений р„г, при которых удовлетворяется равенство (5.76), выбираем меныпее).
При увеличении давления в камере сгорания рк и постоянном значении ргг мощность насосов не изменяется, см. формулы (5.76), ... (5.78), мощность турбины падает, так как при том же р с увеличением Р„степень понижениЯ давлениЯ в тУРбине 5 = Раетра = (Ргг " ЛРкаг. г)''(Р» + гхРмаг. т) уменьшается (кривая 2 на рис.
5.26). Давление рг„, при котором соблюдается баланс мощностей, возрастает (р„"„). При определенном давлении в камере сгорания кривая д зависимости мощности турбины от Р касается в одной точке кривой суммы мощностей насосов (на рис. 5.26 Ргг =- р,.г). Значение давления Р„предельное (Рк „„, ), так как при ббльших давлениях условие баланса мощностей не выполняется (кривая 4 на рис. 5.26). Для увеличения р„кр,д надо увеличить мощность, создаваемую турбиной (папример, повьдппением температуры газа Т„или переходом на схему с двумя турбинами — окислительной и восстановительной), или уменьшить мощности, потребляемые насосами (например, повышением КПД насосов).
При заданном Рк с уменьшением мощности, потребляемой насосами, давление в газогенеРатоРе Ргг снижаетса, так как длЯ создания меньшей мощности требуется меньшая степень понижения давления в турбине б. Уменьшить мощность насосов можно увеличением их КПД. Отсюда следует, что повышение КПД насосов способствует уменьшению давления в газогенераторе ргг. Такое же влияние на давление р оказывает и увеличение КПД турбины.
Следовательно, в системе питания с предкамерной турбиной повышение экономичности насосов и турбины приводит к снижению давления в газогенераторе и на выходе насосов (или к уменьшению температуры в газогенеРатоРе, если давление Рг, задано). 333 Снижение давления в газогенераторе ЖРД с предкамерной турбиной способствует уменьшению массы газогенератора и ТНА, т. е. дает возможность сделать ЖРД и ДУ с меньшей массой (см. рис. 5.24).
Повысить КПД насосов можно, например, увеличением коэффициентов их быстроходности п,. Это достигается увеличением числа ступеней насоса г, как видно из формулы (5.75). При больших давлениях в камере сгорания (р„) ЗО МПа) может оказаться целесообразным применение многоступенчатых насосов. Для ЖРД, работающих на жидком водороде, использование многоступенчатого насоса горючего оказывастся целесообразным уже при р„= 4,5 ... 5,0 МПа, так как из-за малой плотности водорода напор насоса горючего значителен и при одной ступени насоса значение и, и, следовательно, значения КГ!Д получаются низкими. Выполнение водородных насосов многоступенчатыми позволяет уменьшить окружную скоросгь на наружном диаметре колеса до значения, допустимого из соображений прочности (из ( 500 м с).
В схеме с предкамерной турбиной антикавитационные качества системы питания повышаются благодаря применению бустерных струйных и лопаточных насосов. Их применение повышает значения п, [в формулу (5.75) вместо С„„,„следует подставлять С, „,„! и КПД насосов и таким путем способствует уменьшению давления в газогенераторе. Однако затрата мощности на привод бустерных насосов требует некоторого увеличения давления р„„ или температуры Т„. Если лопаточный бустерный насос приводится газовой турбиной и газ после турбины выбрасывается в окружающую среду, то это снижает удельный импульс тяги ЯРД. Но так как расход газа на привод бустерного насоса невелик, то это снижение незначительно. К тому же определенный расход газа может потребоваться для наддува баков ракеты или для рулевых сопл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
