Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 68
Текст из файла (страница 68)
8.5. Пневмо-гидравлическая схема (а) ЖРД РД-0120 (4]: 1 — бустерный насос окислителя; 2 — насос окислителя; 3 — бустерный насос горючего; 4 — насос горючего; 5 — турбина; 6 — газогенератор; 7, 9 — воспламени- тельные устройства; 8, 15 — клапаны окислителя; !О, 13 — клапаны горючего; 11 — клапан отсечки магистрали циркуляции горючего; 12 — камера; 14 — узел качания; !б — теплообменник; ! 7 — дроссель; 18 — регулятор тяги Пример расчета основных параметров двигатели с дожиганием Двигательная установка ЖРД работает на топливе, состоящем из окислителя (80',4 Низ и 20 М М20е) и горючего (тонка-250), по схеме «газ + жидкость» типа представленной на рис.
8.1, с окислительным или восстановительным ЖГГ. Заданы: — параметры ТНА и ЖГГ з1, = 0,4, з1а, = з1„„= 0,65, у = 1,2; — плотность компонентов р, = 1590 кгlмз, р„= 845 кг!м; з, — расход компонентов т, = 160 кг/с, т, = 40 кг/с. В силу условий наибольшей допустимой температуры рабочего тела ЖГГ работают при следующих соотношениях: К„гг = 20 с окислительным ЖГГ; К„гг= 0,6 Глава 8. Двигательные установки с дожиганиеи 410 с восстановительным ЖГГ. С учетом потерь действительные значения (КТ)гг примем равными для обоих ЖГГ (на самом деле КТ для окислительного ЖГГ меньше, чем для восстановительного): (КТ)гт = 490000 Дж/кг. Предположим, что все указанные величины при изменении режима работы ЖГГ и ТНА остаются неизменными. Требуется определить при работе установки с окислительным или восстановительным ЖГГ: — перепад давлений на турбине к„мощность ТНА А/„давление в ЖГГ и давление подачи при р„= 8,83 МПа; — наибольшее возможное давление в камере сгорания р„ Р е ш е н и е.
1. Определим или оценим необходимые для расчета величины. Расходы топлива через турбину следующие: — при окислительном ЖТТ т, 160 т, =т, +тгг„— — т,+ ' =160+ — =168, кг/с; К гг 20 — при восстановительном ЖГГ т, = т„+ тгг, — — т„+ К„ггт, = 40+ 0,6 40 = 64, кг/с. Потери давления на пути от насосов до камеры ЖГГ и от турбины до камеры сгорания считаем постоянными при всех режимах работы установки и оцениваем следующим образом: лргг. = Ьргг.
= ~Ъргг = 2,94 МПа, Лр„= 1,47 МПа, Определим давление подачи на входе в насосы: Рк о =Рьке=р~~ = 0,49 МПа Объемный расход компонентов через камеру сгорания определим по формуле т, т, 160 40 Д~ = — '+ — '= — + — =0,148, мз/с. р, р„ 1590 845 2. Определим к„ л/„ ргг, р„„ при давлении в камере р„ = 8,83 МПа. Найдем уравнение зависимости мощности турбины от перепада давления на турбине л,: — при окислительном ЖГГ 1-у Д/вь =т,т),— (КТ)гг 1-н,т =168 0,4 490000/'(к,)=32,93 10 Г(к,), Вт, у — 1 8.1.
Замкнутая схема сглаз + жидкость» 411 гт', МВт 14,7 7,355 г'Гр г 1'во гтт.о Нт.г гтт Рис. 8.6. К решению примера: 1 — 1т'„при окислительном ЖГГ; 2 — 1тг,„при восстановительном ЖГГ; 3— Л7„прир„=9 МПа где функция 1 — у Д~,) = — 1 — птт у — 1 вычисляется или находится по таблицам газодинамических функций; — при восстановительном ЖГГ 1-7 Жтг то ттт(т — (НТ)гг 1-итт =64'0 4'4900001(тс,) =12 54 1О Дп,), Вт. у — 1 Получим уравнение зависимости мощности насосов от к, или от давления в ЖГГ. Согласно уравнению (8.12) имеем Кт(Р» + аРк) + гзРгг.о Рв.вк к Чв п,(8,83+1,47) 10 +(2,94 — 0,49) 10 0,65 Построим графики зависимостей потребной мощности ()ть„1т',„) и располагаемой мощности 1т'„от перепада давлений на турбине к, (рис.
8.6). Точки пересечения кривой потребной мощности насосов с кривыми располагаемой мощности дают расчетные значения и, и Фр. — при окислительном ЖГГ нс, = 1,11, 1ггр, = 3160 кВт; — при восстановительном ЖГГ л, „= 1,37, Ур „= 3770 кВт. Глава 8. Двигательные установки с дожиганием 412 Согласно уравнениям (8.8) и (8.9) определим давление в ЖГГ и давление подачи: — при окислительном ЖГГ Ргг = Я (Рх + арх) = 1,11(8 83 + 1~47) = 11,43, МПа, Рхох = Ргг + Ьргг = 11,43 + 2,94 = 14,37, МПа; — при восстановительном ЖГГ ргг = 1,37(8,83 + 1,47) = 14,11, МПа, р„,„= 14,11 + 2,94 = 17,05 МПа.
3. Определим по уравнениям (8.17), (8.19) и (8.20) наибольшее возможное давление в камере сгорания р„ — при окислительном ЖГГ А = — 'з)„з),(ЯТ)гг — — * . 0,4 0,65 490000 = 867, МПа, 7 т, 1 2 !68 7 1 0Е 1,2-! 0,148 Т ьг 27 11т-~ ( 867 2 1,2 — 11ьг-~ !,867 — 2,94+ 0,49 1,2 ) !-гт -1 Рхпих=(А — Фгг+Рх. ) лхвр~ — Акт,р~ — ярк = ь-г гл (867 249+049)2 56- 864 2 56 гл 0 49 47,7,МПа; А ях ор! оргг + Рн.хх — при восстановительном ЖГГ А = 330 МПа, я,,р, = 2,64, р„= 18,68 МПа. 8.2.
Двигатель с дожиганием без ЖГГ На рис. 8.7 и 8.8 приведены схема типа «газ + жидкость» и внешний вид двигателя И 10А-З-З, работающего на кислороде и водороде [1О]. Жидкий водород поступает в двухступенчатыый насос 5, затем в тракт регенеративного охлаждения камеры 18. Охлаждая камеру, жидкий водород нагревается и преобразуется в газообразный (температура -200 К) и далее через мерное сопло Вентури 2 поступает на осевую двухступенчатую турбину 11 привода ТНА.
После турбины водород подается через форсуночную головку в камеру сгорания. При такой схеме двигательной установки отпадает необходимость в специальном ЖГГ, что существенно упрощает всю установку. Недостатком ее является довольно ограниченный предел возможного давления в камере сгорания р„ 8.2. Двигатель с долсиганием без ЖГГ 413 7 8 9 10 11 12 4~ 13 14 Рис. 8.7. Схема безгазогенераториого двигателя Й1.10А-З-З: 1 — регулятор тяги; 2 — сопла Вентури; 3, 4, 7 — клапаны системы захолаживання; 5, 9 — насосы; б, 8, 14 — пуско-отсечные клапаны; !Π— механический редуктор; !! — турбина; 12 — регулятор соотношения компонентов; !3, 15 — управляющие клапаны; 1б — клапан системы воспламенения; 17 — система элекгроискрового воспламенения;!  — камера; а — жидкий водород; Ь вЂ” жидкий кислород; с — жидкий гелий в магистрали захолаживания; И— газообразный гелий Турбонасосный агрегат выполнен двухвальным, причем передача крутящего момента с вала насоса горючего на вал насоса окислителя 9 осуществляется при помощи шестеренчатого редуктора 1О.
Корпус ТНА, крыльчатки насоса горючего и ротор турбины изготовлены из алюминиевого сплава, крыльчатка насоса окислителя и шестерни редуктора выполнены из нержавеющей стали. Особенностями конструкции камеры сгорания являются шатровая форсуночная головка с внутренним днищем из пористого материала и трубчатая конструкция стенок КС, состоящая из стянутых бандажами 360 трубок (они видны на рис. 8.8). В полете предусмотрены регулирование тяги за счет перепуска части расхода водорода, регулирование соотношения компонентов (до 10%) с целью одновременного опорожнения баков и управление полетом ступени по каналам тангажа и рыскания при помощи отклонения ЖРД, закрепленного в карданном подвесе, на угол + 4'.
Следует отметить, что ЖРД И.10А разных модификаций успешно приме- нялись и применяются как маршевые двигатели вторых ступеней ракет- Глава 8. Двигательные установки с дожиганием 414 Определение основных параметров безгазогенераторной схемы Уравнением, связывающим основные параметры камеры сгорания и ТНА, является уравнение баланса мощностей турбины и насоса Ф, = Фт которое в развернутом виде запишется следующим образом: к — 1 У гд2 х 1 Рных " о(Рподо Рвхо) г(Рглдг Рвхг) (8 21) У 1 <к Рвх ) РоЧн.о РгЧн.г где тг — расход водорода через камеру сгорания, равный расходу Н2 через турбину; у = 1,4 — показатель адиабаты для водорода; т, — расход кислорода; рг и р, — плотности жидких водорода и кислорода. Очевидно, что Рподл = Ок + ЛРк + ЛРпод.о (8.22) Рпод г = Рвх+ АРподг = Пг(рк + АРг)+ ЬРподгк где Ьр„„л — потеРи давлениЯ на Участке от насоса окислителя до входа в камеру двигателя; ЬР„„„ — потери давления на участке от насоса горючего до турбины; Лр„— потери давления на участке от входа в камеру двигателя до камеры сгорания (в головке камеры двигателя); ЬР„ — потери давления на участке от турбины до камеры сгорания; р,х — давление на входе в турбину.
Определим величину наибольшего возможного давления в камере р,,х. Для упрощения вычислений будем считать постоянными и одинаковыми величины КПД насосов и потерь давления, а также давления на входе в насосы: т)н.о т)н.г т)нг ЛР-дл = АРп.д.г = ЬРпод, Рвхл = Рвх.г = Рп.вх (8.23) Рис. 8.8. Двигатель 1И.10А-З-З носителей «А11аз-Сепгапгз», «Башгп-1», «А11аз-Ч», «РеИа-)Ч», а также разгон- ных блоков Сев<апта для ракет-носителей «А11аз», «Трап», постоянно подтвер- ждая высокие энергетические характеристики и надежность. В.2. Двигатель с дажиганием без ЖГГ 4!5 Тогда, подставив выражения (8.22) в уравнение (8.21), после несложных преобразований получим ЧтЧнроРгФТ)г~~ Кт / (пРпон Рнох)(ро+ КнРг) у-1 Рк— Ьр„.
(8,24) Ктро+ КнРг Обозначив — ЧтЧнро Рг(ВТ)г. В = (Проон Рн вх)(ро+ К и Рг). (8 25) у-1 получим А 1 — к т -В Рк = -ярк. КтРо + Ктрг (8.26) Для определения рк„„„вычислим производную НР„Як„и приравняем ее нулю: гтрк откуда выведем уравнение для нахождения перепада давлений к„, „ соответ- ствующего наибольшему возможному давлению в камере: Р, " 27-1 А~ 2у-1 Обозначив постоянные Д- гК Е— Рг У-1 г В1 У Р, 27-1 А 2у — 1 (8.27) получим к,",р, 1+ — =Е.
(8,28) 'у — 1 А— у Вкт (Ктро+ К нрг)Кт А 1-к," -В ,Р.=О, (ктРо + Кнрг) Глава 8. Двигательные установки с дожиганиеи 416 Вычислив постоянные 23 и Е, легко находим значение к„р, графически или подбором (см. далее пример). Зная п„вь по уравнению (8.26) находим р„,„: А 1 — л,то» вЂ” В пв ор~Ро + КиРг (8.29) Расчеты показывают, что давление в камере невелико и при реальных значениях КПД насосов и турбины, соотношения компонентов К„и температуры водорода на выходе из охлаждающего тракта не может быть выше 4...5 МПа, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
