Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 69
Текст из файла (страница 69)
е. схема, подобная представленной на рис. 8.7, при высоких давлениях в камере сгорания на практике трудно осуществима. Для иллюстрации рассмотрим пример расчета для определения р„ ПРимеР опРеделеиии Рк ввх ЬР . = ЬР л „= воок = 1,96 МПа, Потери давления водорода на участке от турбины до камеры сгорания и давления кислорода в головке соответственно равны и составляют Лр„= 0,79 МПа. Примем также, что давления на входе в насосы равны: р, = р,„, = р„,„= 0,49 МПа. 1. Проведем расчет при Т„= 200 К. Определим постоянные величины, входящие в уравнения (8.27), (8.28): А = — гЬт1„р,р„(ВТ), = ' 0,4 0,6 !140 70 4157 200=5,57 10'о, у — 1 1,4-1 В = (Ореол РнвхКРо + Кизрг) = (1,96 — 0,49) !О (1140+4,8'70) = 2,17 10 Р„у -1 70 1,4-1 .0 = — "Кн — — — — ' 4,8 = 0,0655, Ро 27 -1 1140 2.
1,4-1 У ( 2,17 10 1 1,4 А 2у — 1 1, 5 57.10'о ) 2.1,4 1 Определить величину наибольшего возможного давления в камере сгорания р„для двигательной установки, работающей на топливе, состоящем из смеси кислорода и водорода, по схеме, представленной на рис. 8.7, при нескольких значениях температуры водорода, поступающего на турбину: Т, = 200 К, 273 К, 335 К, 735 К. Остальные основные параметры работы установки остаются неизменными. Соотношение компонентов составляет К =4,8; КПД турбины — 11,=0,4; КПД насосов — 11„= пн, = 11„„= 0,6.
Потери давления кислорода на участке от насоса до камеры двигателя и водорода на участке от насоса до турбины составляют: 8.2. Двигатель с дожиганием без ЖГГ 417 0,78 0,76 0,74 0,72 2,4 2,б 2,8 3 ттт Рнс. 8.9. Определение перепада давления на турбине Построив зависимость от я, левой части уравнения (8.28), находим с помощью любого математического редактора ПЭВМ, например Ма1ЬСаб, величину пторг = 2,999 (рис. 8.9). По уравнению (8.29) определяем р„ А 1 — ят"орт — 3 Рккк = гзРк = ЯтортРо + к-трг 1-рл 'т 5,57 1О 1 2 999 ьл )-2,17 10 0,79 10 = 3,1 10, Па = 3,1 МПа. 2,999 1140+4,8 70 2. Проведем аналогичные расчеты для других значений температур газифици- руемого водорода, поступающего на привод турбины. Результаты расчетов приведены в табл.
8.1. Таблица 8.1 Расчет наибольшего давления в камере сгорания 335 273 Т„, К 735 2,880 2,718 2,835 ят орг 14,0 5,94 4,68 Рк „, МПа Таким образом, температура водорода, поступающего на турбину, оказывает сильное влияние на величину р„. Кроме того, как видно из уравне- Глава 8.
Двигательные установки с дожиганием 418 ний (8.25) и (8.29), на величину р„сильно влияет изменение КПД турбины Ц, и насосов ~)т а также гидРавлические хаРактеРистики системы подачи. В заключение заметим, что уровень температуры рабочего тела турбины ограничен термо прочности ыми свойствами последней и составляет -700...800 К, поэтому р„,„= 14 МПа (при Т„= 735 К) можно считать определяющим порядок наибольших значений для современных конструкционных материалов. С другой стороны, степень подогрева компонента в рубашке охлаждения, в частности водорода, для безгазогенераторной схемы зависит от площади поверхности теплообменного тракта, причем ее величина будет определять габариты камеры, гидравлическое сопротивление тракта охлаждения и, следовательно, потери давления и значение р„. Для ЖРД 1Ц.10А различных модификаций давление в КС составляет 3 ...
4 МПа. С целью повышения значений р„могут быть реализованы более сложные схемы ЖРД, в частности с кольцевой камерой сгорания и тарельчатым соплом, которые позволяют увеличить поверхность теплообмена. При этом наибольшие значения давления могут достигать 7...8 МПа. Еще ббльшие значения р„= 16 МПа, как показывают расчеты, можно реализовать в двигательной установке с промежуточным высокоэффективным охладителем, например гелием . Следует, однако, иметь в виду, что в последних двух случаях неизбежно усложнение конструкции, приводящее к снижению надежности ЖРД в целом, и поэтому окончательное решение о выборе типа безгазогенераторной схемы будет приниматься на основе комплексного анализа отдельных элементов и всей системы.
8.3. Схема «газ+ газ» На рис. 8.10 показана схема двигательной установки с дожиганием (замкнутая схема) типа «газ + газ». Горючее и окислитель из насосов поступают при заданном соотношении в ЖГГ 2 и 8. Газообразные продукты сгорания ЖГГ с избытком окислителя и горючего используются для привода турбин 4 и 10 и затем по газоводам 5 и 11 поступают в камеру б. Таким образом, в установке, работающей по замкнутой схеме «газ+ газ», оба компонента полностью используются для привода турбонасосных агрегатов. Благодаря этому заданное давление в камере сгорания обеспечивается при меньших давлениях подачи, чем при схеме «газ + жидкость».
Выигрыш в давлении подачи особенно заметен при необходимости обеспечить высокие давления в камере сгорания. Ракетно-космическая техника: Сб. статей / Под ред. Б.А. Соколова // Труды РКК «Энергия». Сер. Х11. 2000. Вып. № 1-2. 8З. Схема «газ + газ» 419 8 9 1О !! 12 По данной предельно замкнутой схеме в НПО «Энергомаш» им. академика В.П.
Глушко в 19б2 — 1969 гг. был разработан и прошел цикл испытаний ЖРД РД-270, работающий на азотном тетроксиде и НДМГ. Проведенные огневые стендовые испытания РД-270 подтвердили возможность создания такого вида ЖРД. Определение основных параметров Исходными уравнениями, определяющими при заданном давлении в камере сгорания основные параметры работы ТНА и ЖГГ, будут уравнения баланса мощностей турбины А1, и насоса А1„турбонасосных агрегатов горючего и окислителя: (8.30) или в развернутом виде: 1-у у т,гт)аг — РГ)гг.г 1 — к .г у — 1 1-у у ЛГт.о1)т.о — РТ)ГГ.о 1-ят.о у-1 пгг(Р я. Рвах) РгЧи.г (8.31) »го (Рпод.о Рвх.о ) Рот1н.о Рис. 8.10. Схема двигателя с дожнганнем типа «газ+газж 1 — бак окислителя; 2 — окислительный ЖГГ; 5 — насос окислителя; 4 — турбина; 5 — подача окислительных продуктов сгорания в камеру; 6 — камера двигателя; 7 — бак горючего; 8 — вос- становительный ЖГГ; 9 — насос горючего;! Π— турбина; 1! — подача восстановительных про- дуктов сгорания в камеру; 12 — подача горючего на охлаждение камеры 420 Глава 8.
Двигательные установки с дажиганием При этом, очевидно, имеем (8.32) то.гт.о К то.ггх Кт ГГ.о . т Кт Ггк т .Гт.о т .ГГ. (8.33) Поскольку весь окислитель и все горючее проходят через газогенераторы, очевидно, имеем то гноХт.о + а'о.ггк гйг тгХГ.о + тг.ггк (8.34) Решая совместно уравнения (8.33) и (8.34), находим расходы компонентов в каждом из ЖГГ: гл~ Ктп о — то юг.гг.г Кт ГГ.о Кт Ггк то тгК гг. т..ГГ. = Кт ГГ.о Кт Гг.г (8.35) игКт гг,о гво т — т.К гг..
то.Гтк Кт Ггк йо.гг. =К гг. Кт ГГ.о Кт Ггл К и ГГ.о Кт Ггк Отсюда находим секундные массовые расходы рабочего тела на каждую из турбин: тт.г тигтк + а'о.Гтк тто то.гг.о + тсГГ,о (8.36) Проведя анализ системы уравнений (8.1), подобный проведенному выше для схем «газ+жидкость», получим уравнения, аналогичные уравнениям (8.19) и (8.20), которые позволяют определить наибольшее возможное давление в камере сгорания. Преимущества и недостатки установок с замкнутой схемой Рассмотрев различные типы установок с замкнутой схемой, отметим основные преимущества, недостатки и особенности их работы.
При известных температурах рабочего тела, подаваемого на турбины 4 и 10 (см. рис. 8.10), работающие соответственно на окислительном и восстановительном газе, и при известных расходах компонентов через камеру (т„и Й,) суммарные расходы (т,, и т, „), а также расходы окислителя (йо гг, и гйо Гг „) И ГОРЮЧЕГО (т, Гт, И т„ГГ,) В ОКИСЛИтЕЛЬНЫй И ВОССтаНОВИтЕЛЬНЫй жидкостные газогенераторы определяются однозначно. Действительно, заданные температуры в ЖГГ обеспечиваются соотношением компонентов К„п..
Таким образом, при известных температурах нам известно необходимое для данного топлива соотношение компонентов в окислительном и восстановительном ЖГГ: 8.3. Схема «газ + газ» 421 Главное преимущество заключается в более полном использовании энергии топлива, имеющегося на борту ракеты, так как при схеме с дожиганием потери за счет расхода компонентов на привод ТНА отсутствуют. Удельный импульс двигательных установок с дожиганием больше, чем установок без дожигания, и равен удельному импульсу камер.
Недостатком установок с замкнутой схемой является их большая сложность по сравнению с установками открытой схемы. Эта сложность обусловлена, во-первых, необходимостью подачи из ТНА в камеру сгорания продуктов сгорания высокой температуры, во-вторых, высокими давлениями подачи, которые при замкнутой схеме, очевидно, значительно выше, чем при открытой. Все это затрудняет обеспечение высокой надежности работы установки. Высокие давления подачи и высокие давления в ЖГГ и турбине ТНА приводят также к увеличению массы системы подачи установки, и, в целом, несмотря на отсутствие отдельной системы подачи топлива в ТНА и выхлопных патрубков удельная масса установки с замкнутой схемой без баков сопоставима с удельной массой установок открытой схемы.
Однако благодаря выигрышу в удельном импульсе уменьшение полной массы заправленной двигательной установки может достигать 10...20'Ь за счет уменьшения необходимого запаса топлива и соответствующего уменьшения габаритов (а следовательно, и массы) баков. Этот выигрыш особенно ощутим при больших тягах двигателя, поэтому применение установок с дожиганием более целесообразно в двигательных установках больших тяг. При малой тяге усложнение установки и снижение ее надежности, связанные с использованием замкнугой схемы, не всегда окупаются выигрышем в энергетических характеристиках ЖРД. Применение замкнутых схем даст наибольшую выгоду в двигательных установках больших тяг, работающих при высоком давлении в камере сгорания, так как в этом случае при использовании открытой схемы потери тяги за счет расхода части компонента на привод ТНА были бы сравнительно большими.
Интересной особенностью установок с замкнутой схемой является то, что КПД насосов и турбины влияют только на величину давления подачи и давления р„ ,„ и практически не влияют на удельный импульс, так как снижение КПД турбины и, или КПД насосов ц„приведет только к увеличению потребного давления подачи, но не к снижению удельного импульса. Однако значения КПД турбины и насосов в установках с дожиганием очень важны, так как при уменьшении КПД возрастает давление подачи и, соответственно, возрастает масса двигательной установки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
