Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Схемы ЖРД с насосной подачей топлива




9.1. Основные особенности схем

В схемах ЖРД с насосной подачей компоненты топлива подаются из баков в камеру центробежными насосами, приводимыми во вращение турбиной, которые вместе составляют ТНА. Привод турбины осуществляется рабочим телом – генераторным газом. В большинстве случаев генераторный газ вырабатывается в специальной камере – ЖГГ, входящем в состав двигателя.

Основной особенностью всех схем с турбонасосной подачей компонентов топлива является то, что топливные баки во время работы двигателя находятся лишь под небольшим избыточным давлением наддува, необходимым для обеспечения бескавитационной работы насосов и не зависящим от значения давления в камере сгорания. Благодаря этому массовые характеристики баков и систем наддува практически также не зависят от давления в камере.

Вместе с тем стремление повышать давление в камере сгорания вполне обосновано. Рост Рк, с одной стороны, позволяет увеличивать экономичность двигателя, т.е. повышать удельный импульс тяги путем увеличения степени расширения газов в сопле Рка, причем для двигателей первой ступени РН увеличение Рк единственный способ повышения Рка, так как давление на срезе сопла Ра ограничено средним по траектории атмосферным давлением и выбирается примерно равным Ра =(0,4...0,6)·105Па.

С другой стороны, с ростом Рк уменьшаются продольные и поперечные размеры двигателя.

На рис. 9.1 представлены контуры двух двигателей с одинаковыми тягой и давлением на срезе, но с разным Рк. Как видно, контур двигателя с большим Рк и, естественно, большей степенью расширения Рка полностью вписывается в контур двигателя с меньшим Рк и меньшей степенью расширения.

 
 

    Рис. 9.1. Газодинамические контуры камер сгорания двигателей с одинаковыми значениями тяг в пустоте и давления на срезе,но разными давлениями в камере сгорания  

 

Таким образом, при насосной подаче с повышенным Рк массовые характеристики ЛА в отличие от ЛА с двигателями с вытеснительной подачей ухудшаться не будут. Тем не менее ограничения на выбор значения целесообразного давления в камере сгорания имеют место и при насосной подаче. Однако здесь в отличие от вытеснительной подачи ограничения вызываются другими специфическими обстоятельствами, определяемыми видом насосной схемы подачи, разновидностей которых очень много.

На рис. 9.2. приведена общая классификация ЖРД с насосными системами подачи топлива. Кроме приведенных на рис. 9.2 особенностей – признаков классификации различных насосных схем двигателей много. Последние классифицируются еще и по другим признакам, например по виду генераторного газа (окислительный или восстановительный), охлаждающему компоненту (окислитель или горючее или используются оба компонента), числу камер и т.д. Последний признак – число камер – имеет большое значение. В этом отношении двигатели классифицируются на однокамерные, многокамерные и блочные многокамерные.

Многокамерные отличаются тем, что имеют один ТНА, от которого питаются все камеры. Причем камеры могут иметь разную тягу. Блочные многокамерные состоят из нескольких автономных одно- или многокамерных двигателей, объединенных общей рамой и системой управления. Наконец, имеются однокамерные двигатели, но с двумя ТНА – ТНА подачи окислителя и ТНА подачи горючего; есть двигатели, которые кроме основного ТНА имеют еще дополнительный – вспомогательный или бустерный ТНА (для уменьшения массы топливных баков).

 
 

Рис.9.2. Общая классификация двигателей с турбонасосной подачей топлива

 

Одной из основных видов классификации двигателей с турбонасосной подачей топлива является выполнение двигателей по схемам без дожигания (рис 9.3, а) и с дожиганием продуктов газогенерации в камере двигателя (рис. 9.3, б).

В схеме двигателя без дожигания генераторного газа продукты газогенерации после турбины выбрасываются в атмосферу, например, через рулевые сопла, при соотношении компонентов топлива существенно отличающихся от оптимального значения и общий удельный импульс тяги двигателя составляет ~ 2900 м/c (для кислородно-керосинового двигателя).

В схеме с дожиганием генераторного газа продукты газогенерации после турбины дожигаются в камере сгорания двигателя и удельный импульс тяги двигателя на ~ 15 % получается выше, чем в двигателях без дожигания генераторного газа.

 


а) б)

Рис. 9.3. Схемы двигателя с насосной системой подачи

без дожигания (а) и с дожиганием (б) продуктов газогенерации:

1 – камера сгорания; 2 – газовод; 3 – турбина; 4 – насос окислителя;

5 – насос горючего; 6 – генераторный насос горючего; 7 - газогенератор

9.2. Двигатели с насосной схемой подачи без дожигания

генераторного газа

Насосные схемы подачи без дожигания генераторного газа – довольно распространенная схема ЖРД. На рис. 9.4 схематично представлены наиболее характерные ЖРД этого типа. Схема а отличается однокомпонентным ЖГГ, работающим на разложении специального вспомогательного, "третьего" компонента, например перекиси водорода. В схеме б – тоже однокомпонентный ЖГГ, но работающий на разложении какого-либо компонента основного топлива, например НДМГ. Схема в отличается двухкомпонентным ЖГГ, работающим на основных компонентах, сжигаемых в нем с большим избытком горючего.

Все эти двигатели объединяет общий признак схемы – выброс отработанного на турбине генераторного газа через выхлопную систему. Часто в конце выхлопной системы находятся реактивные сопла, на которых "срабатывается" определенный перепад давлений, и они создают заметную тягу, используемую в системе управления вектором тяги (см. рис. 9.4, б). Наконец, иногда отработанный генераторный газ направляется в щель сопла основной камеры в зоне малых давлений, образуя на этом участке заградительное его охлаждение (см. рис. 9.4, в).

 
 

Рис.9.4. Турбонасосные схемы ЖРД без дожигания генераторного газа:

Ок – окислитель; Г – горючее; НО – насос окислителя; НГ – насос горючего; НВ – насос вспомогательного компонента; Т – турбина; – – – – передача вращения от турбины

 

9.3. Двигатели с насосной схемой подачи с дожиганием

генераторного газа

За последние годы ЖРД с дожиганием генераторного газа получили большое распространение. Общее, что их объединяет, – генераторный газ, полученный из основных компонентов, после срабатывания на турбине ТНА, затем направляется по газоводу в основную камеру, где он и дожигается с остальными компонентами топлива. Благодаря этому, потери на привод ТНА в этой схеме двигателя полностью отсутствуют, т.е. коэффициент φТНА= 1 и удельные импульсы Iдв=Iк.

Тем не менее максимально достижимое давление в камере сгорания и в этой схеме имеет ограничение, которое вызывается главным образом располагаемой мощностью ТНА, определяемой расходом генераторного газа через турбину и его термодинамическими параметрами. Другое ограничение может возникнуть из-за необходимости иметь слишком большие давления подачи. На рис. 9.5 приведены некоторые из них.

 
 

.

Рис.9.5. Турбонасосные схемы ЖРД с дожиганием генераторного газа:

ОкЖГГ – окислительный ЖГГ; ВЖГГ – восстановительный ЖГГ; Ок – окислитель;

Г – горючее; НО – насос окислителя; НГ – насос горючего; Т – турбина

 

Схема а является "классической " для не водородных ЖРД, окислительный ЖГГ, охлаждение камеры горючим.

Схема б – схема водородного ЖРД, после насоса горючего большая часть водорода направляется в восстановительный ЖГГ, а меньшая часть – в охлаждающий тракт сопла, пройдя который, эта часть водорода затем используется на организацию внутреннего охлаждения (завесного). Цилиндрическая часть камеры охлаждается жидким кислородом.

Схема в – также схема водородного ЖРД. Особенность схемы – два ТНА: ТНА подачи кислорода и ТНА подачи водорода. Каждый ТНА приводится во вращение восстановительным генераторным газом, вырабатываемым в двух ЖГГ. Причем после насоса горючего большая часть водорода направляется в ЖГГ, а меньшая часть – в охлаждающий тракт камеры.

Схема г – тоже схема водородного ЖРД. Основная ее особенность – отсутствие ЖГГ. Водород после насоса направляется в охлаждающий тракт камеры, в котором он газифицируется. Из охлаждающего тракта газообразный водород поступает в турбину ТНА и далее – в камеру сгорания.

Схему д иногда называют предельной. Она отличается тем, что в двух ЖГГ – окислительном и восстановительном – газифицируются оба компонента. Каждый ЖГГ приводит свой ТНА: окислительный – ТНА подачи окислителя, восстановительный – ТНА подачи горючего. В данной схеме ввиду использования для привода ТНА расходов обоих компонентов достигается максимальная мощность ТНА и соответственно давление подачи компонентов. Последнее обеспечивает реализацию предельных значений давления в камере сгорания.

В настоящее время схемы двигателей с дожиганием одного генераторного газа, в которых газифицируется только один компонент, т.е. двигатели типа газ+жидкость (Г+Ж) могут обеспечить давления в камере до Рк= 25...30 МПа. Схемы с дожиганием двух генераторных газов, т.е. двигатели типа газ+газ (Г+Г) могут обеспечить Рк= 40...50 МПа.

 

9.4. Удельные характеристики двигателей различных схем

 

Мы рассмотрели жидкостные ракетные двигатели с различными схемами:

- с вытеснительной подачей;

- с насосной подачей компонентов без дожигания генераторного газа (на схеме обозначена «жидкость-жидкость»);

- с насосной подачей компонентов с дожиганием генераторного газа (на схеме - «газ-жидкость» и «газ-газ»).

Зависимость для рассмотренных схем двигателей приведена на рис. 9.6.

Несмотря на большое различие конкретных схем выброса отработанного генераторного газа, все они имеют определенные потери удельного импульса на привод ТНА. Эти потери могут быть оценены коэффициентом

где – относительный расход генераторного газа,

IГГ удельный импульс выхлопной системы генераторного газа;

Iк удельный импульс камеры.

 
 

 

Рис. 9.6. Качественная зависимость удельного импульса от давления в камере сгорания и области оптимальных рк для различных схем подачи топлива (ВП – вытеснительная подача, насосная схема “Ж-Ж” – схема без дожигания генераторного газа, насосные схемы “Г+Ж” и “Г+Г” – схемы с дожиганием генераторного газа)

 

С учетом коэффициента φТНА эффективный удельный импульс двигателя

Iдв=Iк·φТНА.

Устройство реактивного выхлопа, который в зависимости от наружного давления может иметь IГГ/Iк = 0,2... 0,4, снижает потери на привод ТНА и приближает эффективный удельный импульс к удельному импульсу камеры двигателя.

Повышение давления в камере требует и более высокого давления подачи компонентов, которое увеличивает мощность ТНА, а это вызывает рост относительного расхода генераторного газа. Последнее обстоятельство и накладывает ограничение на предел обоснованному повышению давления в камере. На рис. 9.5 показано, что с ростом Рк удельный импульс камеры непрерывно возрастает, но из-за увеличения потерь на привод ТНА эффективный удельный импульс двигателя растет только до определенных пределов. После этого прирост удельного импульса камеры уже не компенсирует возрастающих потерь на привод ТНА.

Поэтому снижение потерь на привод ТНА – важная задача. Она в основном решается совершенствованием конструкции ТНА, рациональным выбором его параметров и эффективной организации выхлопа генераторного газа. У современных ЖРД без дожигания генераторного газа максимальные Рк находятся в пределах 10... 12 МПа.

В схемах двигателей, выполненных с дожиганием генераторного газа, коэффициент φТНА = 1 и Iдв = Iк.

Для схем двигателей типа газ+жидкость обеспечиваются Рк = 25…30 МПа, а в схеме двигателей с дожиганием двух генераторных газов, т.е. двигателей типа газ+газ обеспечиваются Рк до 40 МПа (см. график на рис. 9.6).




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2013-12-13; Просмотров: 5092; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.036 сек.