Лабораторная работа № 3. Системы подачи топлива

Подача компонентов топлива в камеру сгорания ЖРД может осуществляться двумя способами:

• вытеснением компонентов топлива из баков газом высокого давления;

• с помощью насосов.

В соответствии с этим системы подачи топлива ЖРД делятся на две группы:

• вытеснительные системы подачи топлива;

• насосные системы подачи топлива.

3.1. Вытеснительные системы подачи топлива

В вытеснительных системах для подачи топлива в камеру сгорания используется аккумулятор давления. В качестве аккумулятора давления применяют баллон со сжатым холодным газом (воздухом, азотом, гелием, водородом) или агрегат, вырабатывающий горячий газ. Аккумулятор с холодным газом называют ВАД. В качестве агрегата, вырабатывающего горячий газ, используют устройства, называемые газогенераторами. Различают два типа газогенераторов: на твердом топливе (ТГГ) и на жидком топливе (ЖГГ). В вытеснительной системе подачи топлива в камеру сгорания жидкостный аккумулятор давления называют ЖАД, а твердотопливный пороховой аккумулятор давления – ПАД.

Отличительной особенностью вытеснительной системы подачи топлива является то, что баки с компонентами топлива находятся под большим давлением, значительно превышающим давление в камере сгорания. По этой причине топливные баки приходится делать толстостенными.

При высоких давлениях в камере сгорания и при значительных количествах топлива (двигатели больших тяг или большой продолжительности работы) баки при вытеснительной системе подачи топлива получаются чрезвычайно тяжелыми (из-за большой толщины стенки), что неприемлемо для ракеты. В этом случае используют насосную подачу топлива в камеру сгорания.

При насосной системе подачи топлива нет необходимости поддерживать в баках высокое давление. Небольшое давление воздушной подушки в баках создается для обеспечения бескавитационной работы насосов. Насосная система подачи топлива значительно сложнее вытеснительной, но для двигателей больших тяг она предпочтительнее, т.к. вес всей системы питания ЖРД, включая баки с топливом, будет меньше.

Применение вытеснительной системы подачи топлива целесообразно при давлениях в КС не больше Газовытеснительные системы подачи топлива находят в основном применение в двигателях небольшой тяги, рассчитанных на малое время работы, с малым удельным импульсом тяги.

Вытеснительные системы подачи топлива с ВАД. В вытеснительных системах подачи топлива с воздушным аккумулятором давления газ для вытеснения компонентов топлива хранится в баллонах под высоким давлением значительно превышающим требуемое давление в баках. Высокое давление позволяет уменьшить объем ВАД и снизить массу баллона. Перед подачей газа из баллона в бак давление газа снижается до рабочего. Обычно ВАД подает газ в баки непрерывно в течение всего времени работы ЖРД.

В зависимости от метода снижения давления газа вытеснительные системы подачи топлива с ВАД подразделяются на два типа:

• редукторные;

• с прямым расширением.

В редукторных системах с непрерывной подачей газа в бак для снижения давления газа используют редуктор давления. В системах с прямым расширением газорегулирующий элемент выполнен в виде дроссельной шайбы или может вообще отсутствовать. В этом случае газ подается в баки не непрерывно, а в импульсном режиме. В такой схеме на трубопроводе, подводящим газ из баллона в баки, устанавливают клапан, а на верхнем днище бака – сигнализаторы давления. При снижении давления в баке до минимально допустимого срабатывает сигнализатор минимального давления и проходит команда на открытие клапана. Давление в баке начинает расти. При достижении максимально допустимого давления в баке срабатывает сигнализатор максимального давления и проходит команда на закрытие клапана и т.д.

Рис. 3.1. Принципиальная схема системы подачи топлива с ВАД: 1 – камера сгорания; 2 – бак горючего; 3 – бак окислителя; 4 – ВАД; 5 – редуктор

Принципиальная схема вытеснительной системы подачи топлива с воздушным аккумулятором давления приведена на рис. 3.1. Баллоны сжатого газа могут иметь форму сферы, тора или цилиндра. Баллоны изготовляют из высокопрочных, хорошо свариваемых сталей. Для удобства размещения на ракеты ВАД в некоторых случаях используют не один, а несколько баллонов со сжатым газом.

Системы с ВАД обладают высокой надежностью, простотой, наиболее отработаны и широко применяются. Использование гелия вместо воздуха или азота дает существенное снижение массы системы подачи. Недостатком гелия является его высокая стоимость и большая склонность к утечкам. Азот применяется в случае, если компоненты топлива могут реагировать с кислородом, содержащимся в воздухе.

Вытеснительные системы подачи топлива с ПАД и ЖАД

Пороховые аккумуляторы давления. Применение ПАД (рис. 3.2) позволяет создать легкую и удобную в эксплуатации систему подачи топлива. Недостатки такой системы подачи: высокая температура вытесняющего газа; способность догорания пороховых газов в среде окислителя; необходимость изготовления баков из жаропрочных материалов. Для защиты стенок баков и уменьшения теплового воздействия струи продуктов сгорания на поверхность компонентов топлива в верхней части каждого бака размещают теплозащитные экраны, а стенки баков теплоизолируют.

Рис. 3.2. Принципиальная схема системы подачи топлива с ПАД: 1 – камера сгорания; 2 – бак горючего; 3 – бак окислителя; 4 – ГГ

Запускают ПАД подачей электрического сигнала на воспламенитель порохового заряда. Обычно твердое топливо имеет избыток горючего. Поэтому ПАД целесообразно использовать для вытеснения горючего. Вытеснение окислителя продуктами сгорания ПАД опасно из-за возможности их дожигания в баке. Поэтому для бака окислителя применяют отдельный ПАД с зарядом, имеющим избыток окислителя. Догорание пороховых газов в баках может привести к опасному повышению давления внутри баков и к концентрации взрывоопасной смеси. Поэтому в системах с ПАД необходимо устанавливать в баках клапаны сброса избыточного давления.

Жидкостные аккумуляторы давления. Жидкостные газогенераторы (рис. 3.3), используемые для вытеснения топлива, располагают на переднем днище баков. Однокомпонентные топлива в ЖАД не применяют, т. к. они образуют генераторный газ, способный реагировать с основными компонентами топлива. Наибольшее применение в ЖАД получили двухкомпонентные топлива.

Рис. 3.3. Принципиальная схема системы подачи топлива с ЖАД: 1 – камера сгорания; 2 – бак горючего; 3 – бак окислителя; 4 – ВАД; 5 – ГГ; 6 – топливо для газогенератора; 7 – редуктор

Для снижения температуры продуктов сгорания ЖАД создается большой избыток одного из компонентов топлива, поступающего в ЖАД (в баке горючего , в баке окислителя . В результате этого температура газа, подаваемого в бак, не превышает ).

В системе подачи окислителя и горючего используют две самостоятельных схемы: для бака горючего – ЖАД, вырабатывающий газ восстановительного типа; для бака окислителя – ЖАД, вырабатывающий газ окислительного типа. В каждой схеме ЖАД имеется камера газогенератора и баки для размещения компонентов топлива ЖАД. Баллон со сжатым газом для вытеснения топлива из баков в газогенератор может быть единым для обоих баков.

Заключение. Из всех рассмотренных схем наименьшую массу имеют системы подачи с ЖАД, но они достаточно сложны, особенно при использовании двухкомпонентных ЖГГ, и применяются редко. Масса системы с ПАД оказывается больше массы с ЖАД из-за зависимости характеристик порохового заряда от температуры окружающей среды. Устранение недостатков ПАД ведет к значительному увеличению его веса.

Общая характеристика вытеснительных систем подачи

1. По своему действию вытеснительная система подачи топлива является наиболее простой, обеспечивает быстрый выход двигателя на номинальный режим.

2. Баки ракеты при вытеснительной системе подачи топлива находятся под высоким давлением, вследствие этого вес баков получается очень большим. Применение газов с высокой температурой требует изготовления баков из жаропрочных материалов и установки внутри баков теплоизолирующих экранов и теплоизоляции.

3. Баллон со сжатым инертным газом, нагруженный высоким давлением, имеет большую массу. Значительную величину составляет также масса газа, вытесняющего компоненты топлива. Масса газа может достигать 100 кг.

4. Вытеснительная система подачи топлива может применяться для двигателей верхних ступеней баллистических ракет или для двигателей вспомогательного назначения.