МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(государственный технический университет)

филиал «Восход»

Кафедра Б11 Чернявская В.И.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Основы устройства летательных аппаратов»

на тему: «Жидкостные ракетные двигатели»

Одобрено

на заседании кафедры

протокол № __________

от «___» _______2010 г.

Байконур 2010 г.

Аннотация

В методических указаниях к лабораторной работе рассматриваются принципиальная конструктивная схема жидкостного ракетного двигателя, топлива для него; конструктивные и принципиальные схемы составных элементов двигателя; процессы, происходящие в камере сгорания; подачи топлива в камеру сгорания; способы регулирования тяги.

Содержание

Основные обозначения 4

Цель работы 5

Введение 6

1 Общее устройство ЖРД 7

2 Топлива, применяемые в ЖРД 8

3 Камера сгорания ЖРД : назначение, устройство, виды 11

4 Сверхзвуковые сопла 15

5 Системы подачи топлива 19

6 Высотная характеристика двигателя 21

7 Способы регулирования тяги 23

Контрольные вопросы 24

Список литературы 25

Основные обозначения

ЖРД – жидкостный ракетный двигатель;

ТНА – турбонасосный агрегат;

ВАД – воздушный аккумулятор давления;

ПАД – пороховой аккумулятор давления;

ЖАД – жидкостной аккумулятор давления.

Цель лабораторной работы:

1. Изучение конструкции и устройства ЖРД.

2. Изучение процессов, происходящих в камере сгорания.

Задание:

1. Изучить материальную часть лабораторного оборудования.

2. Изучить виды и схемы форсунок.

3. Рассмотреть формы камер сгорания ЖРД.

4. Изучить схемы действия различных способов охлаждения стенки камеры сгорания.

Введение

Методические указания предназначены для помощи студентам специальности 160906 в выполнении лабораторной работы по курсу «Основы устройства ЛА».

Лабораторная работа основана на изучении принципов конструирования жидкостных ракетных двигателей. В работе изучаются схемное построение жидкостных ракетных двигателей, конструктивные и технологические особенности форсунок и камер сгорания, формы сопел, рассматриваются способы подачи топлива и регулирования тяги, принцип действия различных схем охлаждения стенок камер сгорания.

Лабораторная работа дополнят теорию, изложенную в лекционном материале.

1. Общее устройство жрд

Основными конструктивными элементами двигательной установки с ЖРД (рис. 1) являются камера двигателя, баки с жидкими компонентами топлива и система подачи топлива. Камера двигателя состоит из головки с форсунками, камеры сгорания и сопла.

Топливо, подаваемое из баков в камеру сгорания, распыляется с помощью форсунок, перемешивается, испаряется и воспламеняется. В результате сгора­ния топлива образуются газообразные продукты, имеющие высокую темпера­туру, истечение которых из сопла является причиной возникновения реактив­ной тяги двигателя.

Рис. 1 Основные конструктивные элементы двигательной установки с ЖРД:

1 – окислитель; 2 – горючее; 3 – баллон со сжатым воздухом; 4 – редуктор; 5 – камера сгорания; 6 – головка с форсунками; 7 – сопло.

2 Топлива ЖРД

В ЖРД применяются обычно химические топлива, состоящие из двух ве­ществ – горючего и окислителя. Если горючее и окислитель до поступления в камеру сгорания находятся в смешанном между собой состоянии, то такое то­пливо называется смесевым однокомпонентным. Если атомы окислитель­ных и горючих элементов входят в состав одной молекулы, то такое топливо называ­ется простым однокомпонентным, или унитарным. Если горючее и окисли­тель находятся в раздельном состоянии до подачи в камеру сгорания, то такое топливо и называется двухкомпонентным.

Наиболее широкое применение в настоящее время нашли две основные группы топлив, различающиеся по характеру:

а) топлива на основе азотной кислоты и других кислородных соединений азота;

б) топлива на основе кислорода.

Топлива первой группы имеют высокую температуру кипения, поэтому они могут находиться в жидком состоянии при нормальных температурах. Это упрощает их эксплуатацию и позволяет хранить баки летательных аппаратов в заправленном состоянии.

Основным окислителем топлив первой группы является азотная кислота НNО₃, которая содержит 76% кислорода, обладает высоким удельной плотно­сти (1,52 кг/л), имеет низкую температуру замерзания (– 42⁰С) и кипит при +86⁰С.

Недостаток азотной кислоты состоит в ее высокой химической агрессивно­сти по отношению к большинству конструкционных материалов. Вследствие этого для изготовления баков и арматуры приходится применять нержавею­щие стали и сплавы алюминия без примесей меди. Другим недостатком явля­ется ядовитость паров азотной кислоты.

Для улучшения свойств азотной кислоты к ней добавляются различные присадки:

серная кислота Н₂SО₄, уменьшающая агрессивность азотной ки­слоты по отношению к материалам и улучшающая условия запуска двигателя,

четырехокись азота N₂О₄, которая увеличивает теплотворную спо­собность и удельный вес топлива, а также способность топлива к самовоспла­менению после смешения. Четырехокись азота может и самостоятельно при­меняться в качестве окислителя, однако она обладает существенным недостат­ком – высокой температурой замерзания (– 11,2⁰ С).

Горючим для топлив на основе соединений азота может служить керосин, обладающий высокой теплотворной способностью. Керосин легко можно ис­пользовать в качестве охладителя, он прост в эксплуатации и обеспечен деше­вой сырьевой базой. Недостатками его является небольшой удельный вес (0,8 – 0,85 кг/л) и необходимость принудительного воспламенения при смешении с окислителями.

В качестве самовоспламеняющихся горючих используются: анилин, диме­тилгидразин, фурфуриловый спирт, ксилидин, триэтиламин и другие углево­дороды. По сравнению с керосином они более дороги и дефицитны.

Окислителем второй группы топлив является жидкий кислород О₂, кото­рый содержит 100% окисляющего элемента. Жидкий кислород имеет удель­ную плотность 1,14 кг/л и кипит при – 183⁰С, что не позволяет длительно хра­нить его. Баки для жидкого кислорода изготовляются из нержавеющей стали и алюминиевых сплавов.

В топливах на основе жидкого кислорода в качестве горючих могут быть использованы любые углеводороды, которые образуют несамовоспламеняю­щиеся низкокипящие топлива.

Наивысшую теплотворную способность с жид­ким кислородом имеет жидкий водород. Однако он имеет малый удельный вес. Кроме того, температура сгорания водорода в кислороде очень высока. Это затрудняет применение такого горючего.

Хорошими горючими являются такие: керосин, диметилгидразин и этиловый спирт. У последнего несколько меньшая температура сгорания, что облегчает охлаждение двигателей. Спирт имеет удельную плотность 0,8 кг/л и низкую температуру замерзания (– 117,3⁰С).

Кроме упомянутых двух групп топлив, некоторое распространение полу­чили топлива на основе перекиси водорода Н₂О₂. Она применяется или как окислитель (в сочетании со спиртом и с гидразингидратом), или в качестве унитарного топлива. В последнем случае разложение перекиси водорода про­исходит под воздействием катализатора (перманганата калия или натрия). Пе­рекись водорода 80% концентрации имеет удельную плотность 1,34 кг/л и замерзает при – 25⁰С. Для баков с перекисью водорода обычно используются нержавеющие стали и чистый алюминий.

В перспективе для ЖРД рассматривается применение топлив с повышен­ной теплотворной способностью и высокой удельной плотностью. Окислите­лями таких топлив могут служить кислород, фтор, а горючими – водород, ли­тий, бор, аммиак, бороводороды и др. Теоретические исследования показы­вают, что химические топлива могут обеспечить удельную тягу до 400 – 450 кГ сек/кГ.

Основные характеристики топлив, применяющихся для ЖРД, све­дены в таблицу 1.

Таблица 1 - Основные характеристики некоторых жидких топлив при

р_к=40 ата, р_а=1 ата и оптимальных соотношениях горючего и окислителя.

Топливо Удельный Температура Удельная

вес горения тяга

Окислитель Горючее _т, кГ/л Т_к, К Р_уд, кГсек/кГ

98%-ная азотная Керосин 1,36 3010 245

кислота HNO₃

98%-ная азотная Тонка-250 1,32 3045 245

кислота

60% HNO₃ + 40% Керосин 1,38 3150 250

N₂O₄

60% HNO₃ + 40% Тонка-250 1,36 3175 255

N₂O₄

96% N₂O₄ Керосин 1,38 3200 245

Тетранитрометан Керосин 1,47 3380 250

Жидкий кислород Керосин 1,00 3610 280

Жидкий кислород 93,5%-ный эти- 0,99 3300 270

ловый спирт

Жидкий кислород Жидкий водород 0,26 2755 364

Жидкий кислород Диметилгидразин 1,02 3545 295

Жидкий фтор Аммиак 1,18 4425 340

Моноокись фтора Керосин 1,30 4530 320

Моноокись фтора Диэтиламин 1,21 4410 330

3 Камеры сгорания ЖРД : назначение, устройство, виды

Для полного сжигания жидкого топлива в камере сгорания необходимо тщательно смешать между собой компоненты топлива и распылить их на мельчайшие частицы. Чем совершенней процессы смесеобразования, тем эко­номичнее, устойчивее и надежнее работа двигателя.

Выполнение этих условий достигается применением специальных форсу­нок.По принципу действия форсунки можно разделить на струйные (рис. 2.а) и центробежные (рис. 2.б и 2.в). Струйные форсунки более просты по конструк­ции, но они создают недостаточно хороший распыл компонентов.

Для улучшения смесеобразования применяются двухкомпонентные фор­сунки, в которых компоненты топлива смешиваются или вне форсунки (рис. 2.г) или внутри нее (рис. 2.д).

По своей форме камеры сгорания могут быть шарообразными, цилиндри­ческими или коническими (рис. 3).

Шарообразные (или грушевидные) камеры имеют наименьшую поверх­ность при заданном объеме и наименьшую потребную толщину стенок, что делает их наиболее легкими. Шарообразные камеры обычно применяются на двигателях больших тяг. Недостатками шарообразных камер являются увели­ченная поперечная площадь и некоторая сложность в изготовлении и компо­новке.

Цилиндрические камеры сгорания значительно проще в изготовлении и имеют меньшие поперечные размеры.

Рис. 2 Принципиальные схемы форсунок:

а – струйная; б – центробежная с завихрителем; в – тангенциальная; г – двухкомпонентная с внешним смешением компонентов; д – двухкомпонент­ная с внутренним смешением компонентов (эмульсионная форсунка)

Конические камеры также просты, но по сравнению с шаровыми или ци­линдрическими они дают несколько большие потери в удельном импульсе двигателя.

Рис. 3 Форма камер сгорания ЖРД:

а – шарообразная; б – цилиндрическая; в – коническая

В связи с огромными тепловыми потоками, передающимися от газа к обо­лочке камеры, может произойти быстрый разогрев оболочки и потеря ее проч­ности. Поэтому необходимо применять специальные меры для защиты стенок камеры от перегрева и прогара. Наиболее экономичным способом защиты яв­ляется охлаждение стенок снаружи компонентами топлива. Такой способ на­зывается наружным, или регенеративным. Камера сгорания с регенератив­ным охлаждением имеет две стенки, между которыми пропускается один из компонентов топлива (рис. 4).

Если тепловые потоки чрезмерно велики, регенеративный способ может не обеспечить надежного охлаждения. В этом случае применяются различные внутренние способы охлаждения стенок камеры, например, путем создания пристеночного слоя парогазовой или жидкостной завесы. С этой целью на стенки камеры через ряд мелких отверстий подается жидкость, которая расте­кается очень тонким слоем, образуя защитную пленку и паровой защитный слой (рис. 5).

Рис. 4 Схема камеры сгорания с регенеративным охлаждением.

Рис. 5 Схема действия внутреннего охлаждения стенки камеры сгорания.

Рис. 6 Схема изменения температур в системе теплообмена при регенера­тивном (а) и внутреннем б) охлаждении камеры.

Иногда для защиты камеры от перегрева искусственно ухудшают рабочий процесс в камере сгорания, увеличивая избыток одного из компонентов топ­лива или прибавляя к нему воду для снижения температуры сгорания.

Схема изменения температур в системе теплообмена при регенеративном и внутреннем охлаждении камеры представлена на рис. 6.

Важным вопросом в создании конструкций камер сгорания является выбор материалов. Применяемые материалы должны обладать хорошей теплопро­водностью, жаропрочностью и высоким сопротивлением износу (эрозии) при больших скоростях газового потока.

Для внутренней оболочки обычно применяются материалы, обладающие высокой жаропрочностью - легированные жаропрочные стали.

Теплостойкость камеры можно увеличить нанесением на ее внутреннюю поверхность покрытий с высокими температурами плавления.

Важным вопросом в обеспечении надежности ЖРД является запуск двига­теля. Для облегчения запуска обычно используются самовоспламеняющиеся компоненты топлива или применяется специальный воспламенитель, создаю­щий в камере факел пламени с высокой температурой. При запуске необхо­димо создавать определенное опережение подачи одного из компонентов топ­лива, чтобы в камере не произошло накопление невоспламененной горючей смеси, которая может взорваться в момент воспламенения.

Рис. 7. Формы сверхзвуковых сопел:

а – профилированное сопло; б – коническое.