Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Замкнутая схема «газ + жидкасты> 403 определяется наибольшей допускаемой материалом лопаток температурой рабочего тела и при заданных компонентах остается практически неизменной. Также можно считать неизменным и у — показатель адиабаты продуктов сгорания ЖГГ. Расход рабочего тела и, для принятой схемы — также величина неизменная, так как один из компонентов полностью поступает в ЖГГ, а величина соотношения компонентов К гг определяется допускаемой температурой рабочего тела и при заданном типе ЖГГ (окислительном или восстановительном) остается неизменной. Таким образом, при повышении давления р„для увеличения мощности турбины необходимо повышать перепад давления к, на турбине. При этом располагаемая мощность турбины Ф, изменяется по кривой 3 (см.
рис. 8.2). Мощность, потребляемая насосами, в соответствии с равенством (8.3) и с учетом выражения (8.9) при увеличении р„будет изменяться по кривой 2, соответствующей новому давлению в камере. Точка А ' пересечения кривой 2 с кривой располагаемой мощности )з', =Як,) дает значения перепада давлений я', р и мощности ТНА У,' при новом давлении в камере. При дальнейшем увеличении давления в камере сгорания мощность ТНА и перепад давления на турбине к, р будут соответственно расти. Однако, как видно из рис.
8.2, увеличение р, возможно только до определенного значения р„,„, при котором кривая потребной мощности М„=Як,) касается кривой располагаемой мощности М, =Яях) (точка Мь). При давлении в камере, большем, чем р„„, необходимое давление подачи насосов возрастает настолько сильно, что потребная мощность насосов становится выше располагаемой мощности турбины при заданных компонентах, КПД турбины з), и давлении на выходе из турбины. Можно, продолжая увеличивать перепад на турбине, и на заданных компонентах получить еще более высокую мощность, но при этом необходимо уменьшать давление на выходе, а следовательно, и давление в камере р„(точка А 1). Очевидно, что такой режим работы установки нерационален, так как при нем вся дополнительная мощность турбины за счет увеличения к, расходуется только на увеличение давления подачи топлива. Давление в камере сгорания р„, а следовательно, и тяга двигательной установки остаются такими же, как и при режиме, соответствующем точке А', т.
е. меньшими, чем при режиме работы с давлением р„,„. Таким образом, для двигательной установки с дожиганием существует предельно возможное давление в камере сгорания р„. Величина этого давления определяется свойствами рабочего тела: (йТ)гг, у, КПД насосов и турбины, потерями в трактах и типом применяемого ЖГГ (окислительным или восстановительным). Глава 8. Двигательные установки с дажиганиеи ОпРеделение Рк „,„ Величину предельно возможного давления в камере сгорания рк, а также величины соответствующих ему значений перепада давления уу„р! и мощности ТНА двигателей замкнутой схемы типа «газ + жидкость» можно определить аналитически, сделав ряд упрощающих допущений. Ранее отмечалось, что при заданных компонентах для принятой схемы расход на турбину т„величина (йТ)гг и показатель адиабаты продуктов сгорания ЖГГ практически остаются неизменными. Для простоты анализа предположим, кроме того, что КПД насосов горючего и окислителя, потери давления орут в линиях горючего и окислителя и давление на входе в насосы равны и не зависят от параметров работы установки: 1)во= Ч„, = 11„= сопз1, Ьргг, = Ьргс „= Ьргг = сопя!, Р.„, — р,„„— р„,„— сопзк (8.1 1) Считаем также, что потери Ьр„не зависят от параметров работы.
Тогда урав- нение (8.10) можно записать следующим образом: 1-у 'у ()уТ) 1 л у кт(Рк+ Рк)+оРг Рввк Гу (8 12) ' 'у-1 Чк где то тт 0х = — +— Ро Рт (8.13) Отсюда 1 — у Рк = — ЧнЧт(НТ)ггкт 1 — кт — — ф~к. (8.14) У "'т -! ккРГГ '-1Рк.вк у-10, кт иы(У! ы гг +1)рорг Рор = 1Гы 1т(а ырг + Ро) (8.15) Для восстановительного ЖГГ имеем (К гг+1)рорт Рор = сырт + Ро (8.16) Отношение и, Щ назовем приведенной плотностью и обозначим р„р.
Очевидно, для окислительного ЖГГ 8.1. Замкнутая ах«»та «ааз «жидко«ты> 405 Введем постоянный множитель в уравнении (8.14), обозначив У)нт)тРТ)гг = Рнрт)нт)»РТ)гг. у аут = у У-10г. У-1 (8.17) После преобразований получим 1-2у Р„(А ЬРгг+Р„) пт Ал У ЛР„. -! (8.18) Здесь р„зависит только от перепада давлений и,. Для определения р„про- изводную о(р„/о!к, приравниваем нулю: — "= — (А — !5ргг+Рнвх)кт +А — лт" — — О.
ф» -г 2У вЂ” 1 акт у Отсюда находим значение перепада давлений, соответствующее наибольшему возможному давлению в камере: у А 2у — 1 1-! Кт ор!— А — Аргг + Рн.вх У (8.19) Зная к„по уравнению (8.18) находим значение р, 1 — 2у Р»шах = (4 — Ьргг+Рн.вх) лтор! — Актор! — АР». — ! у (8.20) Уравнения (8.19) и (8.20) позволяют при известных (или заданных) параметрах работы ТНА (11„11„, ул„(ЯТ)ут, Д~) сразу определить р„и уу„р, без построения графиков, представленных на рис. 8.2.
Из совместного рассмотрения уравнений (8.20) и (8.17) следует, что величина р„значительно зависит от КПД насосов и турбины (у)„и у),), свойств рабочего тела (у и (КТ~тг), а тиоке от действительного значения (ЯТ)!-!з т. с. от качества работы ЖГГ. Значение р„ можно также повысить, изменив схему двигательной установки. На рис. 8.3 приведен вариант замкнутой схемы установки типа «газ + жидкость», часто реализуемой на практике, например в двигательной установке РД-253. По этой схеме для подачи горючего в ЖГГ используется дополнительный насос 12. При этом, очевидно, давление подачи основного насоса горючего 11 будет ниже, чем давления подачи насосов 12 и 9.
Это приводит к уменьшению мощности, потребляемой насосами, что, в свою очередь, позволяет уменьшить давление в ЖГГ при одновременном увеличении наибольшего возможного давления р„ Глава 8. Двигательные установки с дожиганием 406 6 3 2 4 1 Рис. 8.3. Схема двигателя РД-253 с ложнганнем типа «газ+ жидкость» с дополнительным насосом для подачи топлива в ЖГГ: ! — поовод; 2 — газогенератор; 3, 4, 5, 8, 1О, 14 — звпорно-регулнруняпвя врмвгурв; 6 — турбина; 7 — струйный насос; 9 — насос окислителя; П вЂ” основной насос горючего; 12 — допслннтельный насос горючего; 13 — дроссель; 15 — сопле; 16— камера сгорания Схема, приведенная на рис. 8.3, более рациональна и в случае р„< р, так как при использовании дополнительного насоса схема замыкается при меньших давлениях подачи. Это, в свою очередь, приводит к улучшению весовых характеристик установки, в то же время введение дополнительного насоса может привести к усложнению конструкции и снижению надежности.
Возможности ЖРД с дожиганием типа «газ + жидкость», использующие окислительный или восстановительный ЖГГ Рассмотренная на рис. 8.1 схема установки типа «газ+ жидкость» для определенности была взята с окислительным ЖГГ (так как схема с восстановительным ЖГГ имеет аналогичный вид, очевидно, весь проведенный выше анализ остается справедливым и для случая восстановительного ЖГГ). Однако при одинаковом давлении в камере сгорания основные параметры работы ЖГГ и ТНА при применении окислительного или восстановительного газогенератора сильно различаются.
Дело в том, что для топлив ЖРД соотношение компонентов К„обычно больше единицы, в частности 407 В.1. Замкнутая схема ссгал + жидкость» лрр „ ттт.ро Птрг Пт.о орг гтт г орг пт Рис. 8.4. Изменение располагаемой мощности турбины и потребной мощности насоса при окислительном и восстановительном ЖГГ, работающих на обычном (не водородном) топливе: ! — потребная мощность гт'„; 2 — Ф, при окислительном ЖГГ; 3 — гт', при восстеновительном ЖГГ для топлив, состоящих из кислорода и керосина; азотного тетроксида и НДМГ и др.
Поэтому расход окислителя больше расхода горючего. Поскольку при замкнутой схеме игаз+ жидкость» один из компонентов чаще всего полностью поступает в ЖГГ, расход рабочего тела на турбину при окислительном ЖГГ всегда выше, чем при восстановительном ЖГГ. При этом, поскольку для большинства топлив (кроме топлив, использующих водород в качестве горючего) увеличение ()тТ)гг в восстановительном ЖГГ за счет увеличения газовой постоянной продуктов сгорания сравнительно невелико, решающее влияние на располагаемую мощность турбины оказывает увеличение расхода ит. На рис.
8.4 показаны типичные графики изменения располагаемой мощности турбины Ф,=Як„) при применении окислительного и восстановительного ЖГГ, работающих на топливе, имеющем К„> 1, откуда видно, что при равных давлениях в камерах величина я„а следовательно, давление в ЖГГ и давление подачи, при котором схема замыкается, при использовании окислительного ЖГГ ниже. Ориентировочные расчеты показывают, что схема двигательной установки, работающей на топливе, в котором азотный тетроксид используется как окислитель, при давлении в камере сгорания 10 МПа и с окислительным ЖГГ замыкается при давлении в ЖГГ 14...18 МПа, в то время как при восстановительном ЖГà — при давлении в ЖГГ 18...28 МПа. 408 Глава 8. Двигательные установки с дожиганием Применение окислительного или восстановительного ЖГГ влияет также и на величину р„.
На рис. 8.4 точки М, и М„, в которых кривые потребной мощности М„=Як,) касаются кривых располагаемой мощности турбины У, =Як,), определяют наибольшее достижимое давление в камере сгорания при окислительном или восстановительном ЖГГ в двигателе при К„> 1. Однако в некоторых случаях может оказаться более рационально применение восстановительного ЖГГ и при К„> 1. Дело в том, что лопатки турбины, работающей на восстановительном газе, допускают более высокую температуру рабочего тела, чем турбины, работающей на окислительном газе.
Вследствие этого разница в давлениях, приводящих к замыканию схемы при окислительном или восстановительном ЖГГ, уменьшается и решающими при выборе типа ЖГГ (окислительного или восстановительного) могут оказаться вопросы охлаждения камеры, удобства регулирования, компоновки, надежности и т. д. В двигателях, использующих в качестве горючего водород, в связи с весьма значительным увеличением газовой постоянной продуктов сгорания при а «1 решающее влияние на величину располагаемой мощности турбины оказывает увеличение (и Т)гг. Поэтому для водородных ЖРД с замкнутой схемой более рационально применение восстановительного ЖГГ. В современных ЖРД давление в камере сгорания значительно ниже предельно возможных значений.
Основная причина в том, что с повышением р„ давление подачи, при котором схема замыкается, возрастает пропорционально произведению к,р„. Вследствие этого трубопроводы и агрегаты системы подачи должны работать при очень высоких давлениях, что приводит к значительному увеличению массы двигательной установки и снижению надежности ее работы. Как один из примеров установки с дожиганием и восстановительным ЖГГ на рис. 8.5 показана схема однокамерной двигательной установки РД-0120 (вклейка, рис. 4), работающей по схеме типа «газ + жидкость» на топливе, состоящем из смеси кислорода и водорода.
Давление в камере составляет 20,6 МПа, пустотная тяга — 1,961 МН, пустотный удельный импульс— 4460 м/с. Данная двигательная установка предназначена для разгона и управления полетом ракеты-носителя по каналам тангажа и рыскания за счет отклонения ЖРД в двух плоскостях на угол +11'. Пневмогидравлическая система РД-0120 обеспечивает функционирование основных узлов и агрегатов, турбонасосную подачу компонентов в газогенератор и камеру сгорания (КС), в которой дожигается восстановительный газ.
Кроме того, предусматривается генерация газообразных компонентов: гелия — для наддува кислородного бака, водорода (в тракте охлаждения КС) — для наддува бака с водородом. Газифицированный водород подается также на турбопривод бортовой системы энергоснабжения ракеты-носителя и на привод рулевых машин качания ЖРД. 409 8.1. Замкнутая схема кгаз ь жидкостьз Водород Кислород Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
