Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Изменение треугольников треугольников скоростей при изменении скоростей при изменении угловой угловой скорости вращения ротора турскорости вращения бины (рис. 7.31). За исходные примем 7.3. Турбины ТНА 371 треугольники скоростей при работе на расчетном режиме. Из рис. 7.31 видно, что если с1 = с1 р = сопз1, щ2 щ2р = сопз1, то (7.69) с1 „= с2 ар = сопз1, С2 С2 р+Ир — И.
Подставив полученное из выражения (7.69) значение с2ц в формулу (7А4), имеем Рц т(саар с2ар ир +и), Крутящий момент турбины определим по формуле В 13 .Мк =Рц =т(саар с2цр ир+и) (7.70) При и = 0 получим значение максимального крутящего момента М„ .0 Мкыа„=т(С1цр — О2 р — Ир) —. 2 (7.71) ГО Мк = Мкааах (Мк пих Мк.р) Оз (7.72) Обозначив Мк ааах М к.р (7.73) получим М„,,( (1 1) О2р./ (7.74) Мощность турбины находим по формуле Нт = Мкго (7.75) Подставив равенство (7.74) в выражение (7.75), получим зависимость изменения мощности от угловой скорости при постоянном расходе рабочего тела: Поскольку в выражении (7.70) все величины, кроме скорости и, не зависят от значения Оз, зависимость М„= т(го) будет линейной.
Следовательно, 372 Глава 7. Турбонасосные агрегаты Ут = Фт.р Н вЂ” (Н вЂ” 1) — . (7.76) '"Ъ |, О7р / Зта характеристика является параболой, которая представлена на рис. 7.32. При различных расходах газа получим семейство характеристик. Приравнивая нулю первую производную с(М,Ыоэ, находим значение а, соответствующее максимальному значению мощности М,,„, и значение А~т тхх.
Рнс. 7.32. Характеристики Ф, =Ясо); тн1 <ит <тнз <нт4 <%5 ю=юр Н Н Фтпих = Мт.р (7 77) 2(Н-1)' 4(Н-1) 7.4. Совместная работа турбины и насосов Характеристика совместной работы турбины и насосов определяется в первую очередь способом подачи рабочего тела на турбину: независимо от ТНА или от насосов, приводимых в действие ТНА. Первый способ обычно используется при приводе ТНА от парогазогенератора (ПГГ)„имеющего свою вытеснительную подачу (например, в ракете 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 запуск ТНА и совместное протекание характеристик У =Ясэ) в каждом из указанных случаев. Совместная работа турбины и насосов при независимой подаче рабочего тела ~у =с' З (7.78) При независимой подаче параметры рабочего тела р,х, Т,„, т, остаются постоянными и не зависят от работы ТНА. При этом согласно уравнению (7.76) характеристика турбины У, = Т(сз) будет иметь вид, представленный на рис. 7.33.
Насосы ТНА связаны с системой подачи, имеющей свою гидравлическую характеристику. Для каждого насоса согласно выражению (7.42) Ф„= Сю . Очевидно, зависимость потребной мощности всех насосов можно з выразить формулой 373 7.4. Совместная работа турбины и насосов 0 Оэ' 0)в ы" и О ы Рис. 7.33. Характеристики совместной Рис. 7З4. К оценке устойчивости рабоработы турбины и насосов при не- чего режима зависимой подаче рабочего тела Графики характеристик насосов и турбины приведены на рис. 7.33. Точка А — рабочая точка, где (7.79) При изменении угловой скорости от 0 до озр (раскрутка ТНА) имеем избыток мощности турбины (заштрихованная область на рис. 7.33), т. е. 11~т ~~~ )ам + )хизб.
При оз = вр мощность )нтв равна нулю. Устойчивость работы ТНА на расчетном режиме (точка А) определяется величиной угла между характеристиками насосов и турбины. При таком расположении 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 +он', (при го' < гор) или недостаток — ЬФ, (при вн > оз ) располагаемой мощности, и система вернется в рабочую точку. Таким образом, условие устойчивой работы имеет вид (7.81) Запас устойчивости определяется величиной АУ, при отклонении от рабочего режима, т. е.
величиной угла между характеристиками (рис. 7.34). При малой величине угла между характеристиками (показано пунктиром) ЬМ, мало и может иметь место разброс значений У и оз рабочего режима (плавающий режим). Чем больше угол между характеристиками, тем устойчивее режим. Глава 7. Турбонасосные агрегаты 374 Раскрутка ТНА при независимой подаче рабочего тела Определим время раскрутки ТНА до рабочей скорости вращения вала. Входящая в формулу (7.80) мощность 2.'Фи расходуется на прокачку компонентов; избыток мощности Ф„,б идет на раскрутку ТНА, т.
е. з Р изб ~т Л~~~~ з з' и ° (7.82) Если.У вЂ” момент инерции ротора ТНА и присоединенных масс жидкости, то зУв зз'изб = Уез Ж (7.83) Подставляя выражение (7.83) для У„,б в равенство (7.82) и интегрируя, найдем время раскрутки ТНА до выхода на рабочий режим: .Усо м,— ~ м„ о (7.84) Определение тр обычно производят численным интегрированием. Чем меньше.У и больше Ф„зб, тем быстрее протекает раскрутка ТНА.
С этой точки зрения присоединенные массы жидкости должны быть меньшими. Однако если производить раскрутку насосов без присоединенных масс (т. е. без компонентов) и затем включить подачу компонентов 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 Ф ххи значения в, (рис. 7.35) подавать на турбину боль- В ший расход, что обеспечит больший избыток мощи '"з ности У„,б при выходе на режим. При достижении Мр и значения в, (точка В) расход рабочего тела умень/ шают до номинального. В ТНА мощных ЖРД, имеющих большие вра- щающиеся массы, время выхода на режим тр может О взз взр вз быть значительным, что повлечет лишний расход топлива; кроме того, для некоторых ракет (верхние Рис.
7.35. Сокращение времени выхода на ре- стУпени космических Ракет, зенитные Ракеты и т. д.) жим Увеличением Рас- желательно иметь тр возможно меньшим. Обычно хода рабочего тела значения тр достигают нескольких секунд. 375 7.4. Совместная работа турбины и насосов Совместная работа турбины и насосов при зависимой подаче рабочего тела 0 %шп ~р мэб 6 вр Рис. 7.36. Характеристики совместной работы турбины и насосов прн независимой (а) и зависимой (б) подаче рабочего тела При зависимой подаче в ПГГ или ЖГГ компоненты поступают в газогенератор от насосов ТНА. В этом случае по мере увеличения значения в от О до сор расход компонентов в газогенератор возрастает от нуля до номинального расхода.
Соответственно, давление в газогенераторе повышается до расчетного. Если соотношение компонентов К гг остается постоянным в ЖГГ (или если газогенератор однокомпонентный — в 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 угловой скорости меньше расчетной характеристика Ф, =Ясо) пройдет ниже характеристики при постоянном расходе, вопервых, вследствие уменьшения расхода и, во-вторых, вследствие резкого увеличения потерь при работе на нерасчетных 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 Ф, =Да) во всем диапазоне значений со от О до ар пройдет выше кривой потребной мощности 2.'Ми = Ясо). Этот случай принципиально не отличается от раскрутки насоса при независимой подаче рабочего тела.
Однако избыток мощности турбины Ф в будет значительно меньше (запггрихованная область), вследствие чего время выхода на режим резко возрастет. При работе ТНА с зависимой подачей также может встретиться второй случай„ когда при начале раскрутки располагаемая мощность меньше потРебной (Рис. 7.36, б), Ф, < 2 Фн, т. е. до точки В, и длЯ РаскРУтки ТНА необходимо постороннее воздействие от специального стартового устройства. Характеристика располагаемой мощности дважды (в точках В и А) Глава 7.
Турбонасосные агрегаты 376 пересекается с характеристикой потребной мощности. В точке В режим не- устойчив. 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 угловой скоростью, большей, чем в и (точка В на рис. 7.36). Как мы отмечали ранее Я 6.2), для раскрутки могут использоваться стартеры с ПАД, со сжатым газом и с ПГГ, имеющим независимую подачу.
В некоторых случаях избыточная располагаемая мощность при раскрутке создается за счет избыточного давления 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 оз„„,„= (1,1...1,2)оз а. При этом время раскрутки до со„„,„определяется условием, аналогичным условию (7.84): Ло А~пуск,~~ А~в о (7.85) ойство, тем меньше т„„,„, но и тем больше его масса, что надо особенно учитывать, если устройство размещается на ракете. Благодаря высокой надежности (=99,8%) большое распространение получили стартеры с ПАД.
На рис. 7.38 показан ПАД для двигателя Н-1 ракеты-носителя «Сатурн-1В». В ПАД используются три пороховые шашки, расположенные телескопически. Для раскрутки ТНА установок с замкнутой схемой при выборе типа пускового устройства и компоновки ТНА следует учитывать, что в случае использования стартера с ПАД его продукты сгорания, как правило, имеют отрицательный кислородный баланс. Поэтому если ЖГГ окислительный, то во избежание опасности заброса температуры при догорании продуктов сгорания ЖГГ и пороховых газов Чем мощнее пусковое устр Ыппп ыпппп ыр Рис. 7.37.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
