Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Глава ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ С ДОЖИГАНИЕМ Двигательной установкой с дожиганием (или с замкнутой схемой) называется установка, в которой отработавшее в турбине рабочее тело поступает в камеру сгорания, где происходит его догорание при оптимальном соотношении горючих и окислительных элементов. При этом характерные для двигательных установок без дожигания (открытой стелы) потери тяги за счет нерационального расхода компонентов на привод турбины отсутствуют и удельный импульс двигательной установки с дожиганием равен удельному импульсу камеры.
Поэтому в двигательных установках с дожиганием для создания тяги более полно используется химическая энергия всего топлива, имеющегося на борту ракеты. Ранее (см. 8 6.3) было показано, что для двигательной установки без дожигания увеличение давления в камере более 10...15 МПа нерационально, так как необходимое для этого увеличение давления подачи топлива требует соответствующего увеличения мощности ТНА. При этом расход топлива т, на привод ТНА возрастает настолько, что выигрыш в удельном импульсе двигательной установки за счет увеличения р„/р, не получается (см.
формулу (6.5) и рис. 6.8). Таким образом, применение замкнутой схемы не только повышает удельный импульс двигательной установки по сравнению с 1„ установки открытой схемы, но и дает возможность дальнейшего увеличения 1„за счет увеличения давления в камере. В зависимости от состояния, в котором компоненты подаются в камеру сгорания, различают два типа двигательных установок с дожиганием: «газ+жидкость» и «газ+газ». При схеме «газ+жидкость» один из компонентов, окислитель или горючее, полностью поступает в ЖГГ, где и сгорает с частью второго компонента (соответственно при а» 1 или а «1). Образовавшиеся газообразные продукты сгорания с большим избытком окислительных или горючих элементов идут на привод турбины ТНА и затем по газоводу поступают в камеру сгорания. Второй компонент поступает в камеру сгорания в жидком виде.
Разновидностью замкнутой схемы типа «газ+ жидкость» является показанная на вклейке, рис. 7, 8, схема четырех- камерного двигателя РД-!70, работающего на кислороде и керосине, кото- 8.1. Замкнутая схема «газ + эсидкость» 399 рый выполняет функции маршевой двигательной установки, а также обеспечивает управление траекторией ракеты-носителя за счет отклонения камер на угол +8'. Двигатель РД-170 спроектирован как многоразовый и сертифицирован на десятикратное использование. При схеме «газ+ газ» оба компонента поступают в два ЖГГ (один с сх» 1, второй с сс «1).
Из ЖГГ продукты сгорания идут на привод турбин ТНА и затем поступают в камеру сгорания, где происходит их догорание при заданном соотношении горючего и окислителя. 8.1. Замкнутая схема «газ+ жидкость» Упрощенные замкнутые схемы типа «газ+жидкость» показаны на рис. 8.1 и 8.3. нюгку н длу бака бака окислителя горючего Рис. 8.1. Схема двигателя РД-0211 с дожиганием типа «газ+ жид- кость» [4): 1 — газогенератор; 1 — клапан окислителя; 3 — газогенератор наддува бака горючего; 4 — насос окислителя; 5 — насос горючего; б — турбина; 7 — блок запуска; 8 — дроссель; 9 в клапан горючего; 10 — пусковой клапан; П вЂ” камера сгорания; 12 — регулятор расхода горючего в газогенератор; 13 — клапан Глава 8. Двигательные установки с дожиганиедг 400 Для определенности рассмотрим схему ЖРД РД-0211 141, работающую с окислительным газогенератором (схема, работающая с восстановительным ЖГГ, аналогична).
При работе установки насос окислителя 4 подает весь окислитель из бака в ЖГГ 1. Горючее из насоса 5 идет по двум направлениям: часть горючего, необходимая для образования рабочего тела привода турбины, поступает в ЖГГ, остальная, основная, часть горючего поступает сразу в камеру сгорания 11. Образующееся в ЖГГ рабочее тело с избытком окислителя поступает на турбину б и дальше, по газоводу, в камеру сгорания.
Запуск и управление ЖРД осуществляется с помощью блока запуска 7 и элементов автоматики 2, В, 9, 10, 12, 13. Таким образом, компоненты топлива поступают в камеру сгорания как в жидком виде, так и в виде газообразных продуктов сгорания при температуре 700...800 К с большим избытком окислителя (отсюда название схемы «газ+жидкость»).
Проведем анализ работы установки, работающей по схеме, представленной на рис. 8.1. Определение параметров работы основных агрегатов (8.1) Согласно уравнениям (7.55), (7.45) и (7.10) для рассматриваемой установки (см. рис. 8.1) имеем т-1 г'т'т РптЧт 1гТвх 7 ° (Р.и.1 т (8.2) н1о (Ровд о Рвх о) тг (Рвод г Рвхв) ~л и + РоЧд.о РгЧд.г (8.3) Подставив выражения (8.2) и (8.3) в уравнение (8.1), получим у-1 ттЧт 1г г вх ~о(Роодо Рвхо) Н г(Ровд г Рвхг) (8 4) + РоЧн.о Р.Чв.г Основным уравнением, позволяющим при заданном давлении в камере сгорания определить давление в ЖГГ, необходимое для привода ТНА, а следовательно, и давление, необходимое для подачи (иногда его называют давлением, при котором схема замыкается), является уравнение баланса мощности, потребляемой насосами и развиваемой турбиной: 401 В.7.
Замкнутая схема егаз + жидкость» (8.5) При замкнутой схеме давление р, определяется давлением в камере сгорания: Рвых =Рк +Схрк~ (8.6) где ЬЄ— потери давления продуктов сгорания на пути от турбины до камеры сгорания. Давление на входе в турбину можно считать равным давлению в ЖГГ: Рвх -РГГ.
(8.7) Перепад давления на турбине с учетом соотношений (8.6) и (8.7) определяется по формуле Рвх Ргг Е т Рвых Рк + хРк (8.8) Давления подачи насосов р„„, и р„„„, очевидно, выше давления в ЖГГ на величину гидравлических потерь давления компонента на пути от насоса до камеры сгорания ЖГГ, т. е. в общем случае имеем Рвов =РГГ + ЛРГГ = Кх(рк+ Хврк)+ ЛРГГ, (8.9) где ЛРГà — потеРи давлениЯ компонента в магистРалЯх, клапанах, РегУлирующих устройствах, находящихся на луги от насоса до ЖГГ, а также в трактах и форсунках ЖГГ. Подставив выражения (8.5) — (8.9) в формулу (8.4), получим развернутое выражение для определения величины л, или давления в ЖГГ при заданном давлении в камере сгорания: 1 — у у тхг1х — (ЯГ)ГГ 1 — Е," у — 1 (8.10) + РвЧв.в Р.Ч».. где т, — расход рабочего тела через турбину, очевидно, равный расходу компонентов через ЖГГ; у — показатель адиабаты продуктов сгорания ЖГГ (обычно 7 = 1,2...
1,3); ~)„в)„„в)„„— эффективный КЛД турбины и КПД насосов окислителя и горючего; р„„„р„„„вЂ” давления подачи компонентов насосами; р „р, — давления окислителя и горючего на входе в насос; Я вЂ” газовая постоянная и Т,х — температура торможения рабочего тела на входе в турбину, считаем их равными газовой постоянной и температуре на выходе из ЖГГ: 402 Глава В.
Двигательные установки с дожиганием При решении этого уравнения заданы или известны из расчета камеры двигателя и ЖГГ расходы компонентов т„тг, т„а также значения величин у и (ЯТ)гг в зависимости от давления в ЖГГ. Зададим значения КПД Ч . Ч .. и Р)г. Оценив значениЯ ЬРк, Роио Рвиг оргт.о и Ьргг г, решим уравнение (8.10) и определим перепад давлел~ К ний на турбине л, и давление в ЖГГ ргг при выбранном давлении в камере сгорания р„.
п, Уравнение (8.10) удобно решать, Рис. 8.2. Зависимости располагаемой ваРьиРУЯ значениЯ и,. Определив длЯ мощности турбины 1У, и потребной каждого к, величинУ л,1Р„+ ГьР„) =Ргг, мощности насосов Ф„от к, и давле- строим кривые зависимостей правой и ния в камере сгорания р„: левой частей уравнения (8.10) от ж„ д 2, 4 — потребные мощности гт„З вЂ” пвс- т. е. строим графики располагаемой мощности турбины У, =акр) и потребной мощности насосов Ф„=Як,). Точка пересечения кривых и задаст нам расчетные значения 1т, р и мощности ТНА Фр, при которых схема замыкается (рис.
8.2). гггр Птр Пгорг Влияние давления в камере сгорания иа параметры работы установки Рассмотрим, как будет влиять увеличение давления в камере сгорания р„ на параметры работы системы подачи топлива. Для определенности здесь и далее анализ работы двигательных установок с замкнутой схемой будем проводить при постоянном суммарном расходе топлива через камеру сгорания. При этом изменение давления в камере сгорания достигается только за счет изменения величины Р . Очевидно, что характер взаимосвязи в работе агрегатов системы подачи не изменится и при других расходах топлива. С увеличением р„возрастает необходимое давление подачи, т.
е. возрастает мощность, потребляемая насосами. Соответственно, должна увеличиться и мощность турбины М„необходимая для привода насосов. Из уравнения (8.2) мы видим, что при заданном КПД 11, увеличение мощности турбины может быть достигнуто путем увеличения расхода т„величины (ЯТ)гг, перепада давления пг на турбине. Однако величина (ЯТ)гг для данного топлива 8А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
