Системы питания с предкамерной турбиной

Разберем основные типичные схемы систем питания ЖРД с ТНА. Схема системы питания обусловливает конкретные требова­ния к насосам и турбинам. Параметры насосов и турбин могут сильно различаться в зависимости от схемы системы питания. Особенно заметно она влияет на условия работы и параметры турбины.

Условия работы турбины существенно зависят от того, подается ли газ после турбины в камеру сгорания или нет. Примем это за основной признак для классификации систем питания ЖРД с ТНА. По этому признаку системы питания можно разделить на группы (рис. 1.13).

Схему системы питания с подачей газа после турбины в камеру сгорания будем называть схемой с предкамерной турбиной (ЖРД с дожиганием), а схему без подачи турбинного газа в камеру сгорания будем называть схемой с автономной (независимой) турбиной (ЖРД без дожигания).

В схеме с предкамерной турбиной давление на выходе из турбины (противодавление) велико, оно определяется давлением в камере сгорания ЖРД. ЖРД с предкамерной турбиной широко применяется в ракетной технике.

В схеме с автономной турбиной противодавление значительно меньше, так как газ после турбины выбрасывается, минуя камеру сгорания. Развитие ЖРД началось с двигателей, выполненных по схемам этой группы.

В случае применения системы питания с предкамерной турбиной полностью исключается снижение удельного импульса ЖРД из-за затраты топлива на питание турбины. Особенно большое преиму­щество имеет схема с предкамерной турбиной при высоких давле­ниях в камере сгорания (выше 10 МПа).

На рис. 1.14 показана типичная схема системы питания с пред­камерной турбиной и с газогенератором, работающим на основных компонентах топлива. Из баков компоненты поступают в бустерные насосы, которые позволяют снизить давление в баках и увеличить частоту вращения, а, следовательно, уменьшить массу и габаритные размеры основного ТНА. Один из компонентов полностью про­пускается через газогенератор, а второй добавляется в количествах, необходимых для получения нужной температуры перед турбиной. Газогенератор может быть как с избытком окислителя - окислительный газогенератор (см. рис. 1.14), так и с избытком горю­чего восстановительный газогене­ратор. Основное количество вто­рого компонента поступает в жидком виде непосредственно в камеру сгорания. В камере происходит дожигание компонента, полностью прошедшего в газифицированном виде через турбину, совместно с компонентом, поступающим в ка­меру сгорания в жидкой фазе. Чаще применяется газогенерация с избытком окислителя, так как расход окислителя превышает рас­ход горючего и заданную мощность турбины можно обеспечить при меньших давлении и температуре в газогенераторе. При применении водорода в качестве горючего всегда используется газогенератор, работающий на избытке водо­рода, так как его большая газовая постоянная обеспечивает высокую работоспособность генераторного газа.

ЖРД, схема системы питания которого приведена на рис. 1.14, называется ЖРД с дожиганием генераторного газа. При этой схеме давление перед турбиной должно быть больше давления в камере сгорания. Поэтому насосы системы питания с предкамерной турбиной должны обеспечивать более высокие давления, чем в системе с авто­номной турбиной.

В ряде случаев целесообразно иметь отдельный насос, питающий газогенератор, с подачей к нему части компонента после основного насоса (рис. 1.15) или со входа в ЖРД.

В системе с предкамерной турбиной при заданном давлении в камере сгорания давление перед турбиной определяется из условия баланса (равенства) мощности, потребляемой насосами, и мощности турбины при выбранной температуре газа перед турбиной. Так как через предкамериую турбину проходит большое количество газа, то она является высокорасходной. При большом расходе газа для создания необходимой мощности достаточна небольшая степень понижения давления на турбине. Поэтому предкамерная турбина является турбиной с низкой степенью понижения давления (=1,3... 1,8, т. е. давление перед предкамерной турбиной только на 30... 80 % превышает давление за турбиной ). Жела­тельно иметь меньшее давление и температуру перед предкамерной турбиной, так как наличие газогенератора и трубопроводов высокого давления при высокой температуре газа снижает надежность ЖРД и увеличивает его массу.

КПД насосов и турбины, не влияя на удельный импульс ЖРД с предкамерной турбиной, оказывает влияние на массу и надежность двигательной установки. Чем меньше КПД, тем больше должны быть давление и температура газа перед турбиной (в газогенераторе), чтобы обеспечить баланс мощностей ТНА. Поэтому высокие КПД насосов и турбин совершенно обязательны для ЖРД с дожига­нием.

Логическим развитием схемы с дожиганием является схема «газ -газ», при которой в камеру сгорания для дожигания поступают оба компонента в газифицированном виде (рис. 1.16). Эта схема системы питания ЖРД позволяет реализовать более высокие давле­ния в камере сгорания. Для газификации компонентов используются два газогенератора, один из которых работает при избытке горючего, а другой- при избытке окислителя. Для осуществления схемы «газ—газ» целесообразно иметь две предкамерные турбины (при самореагирующпх компонентах это требование обязательно). Каж­дая из турбин может приводить один насос, тогда в системе питания будет два ТНА, но можно установить турбины на одном валу с насо­сами и тогда конструктивно получится один ТНА. При различных давлениях в газогенераторах может оказаться целесообразным иметь отдельные насосы, питающие газогенераторы, с подачей в них части компонентов после основных насосов.

Дата добавления: 2014-01-20