книги из ГПНТБ / Казанджан П.К. Турбины систем питания ЖРД

Выражение (5) справедливо для систем питания, когда рабочее тело после турбины полезно не используется. Как ука­ зывалось выше, именно такие схемы систем питания («откры­ тая схема») до последнего времени имели наибольшее распро­ странение. В таких схемах определение удельных тяг двигателя должно проводиться с учетом расхода топлива как в основных камерах, так и на привод ТНА. Расчетные зависимости ДУдЭф=

Фиг. 6. Зависимость доли топлива, идущего на привод ТНА, от давления в камере

Как видно из фигуры, при больших давлениях в камере по­ тери в удельной тяге из-за дополнительного расходования топ­ лива на привод турбины ТНА превышают выигрыш удельной тяги за счет увеличения давления в камере.

Следовательно, при больших давлениях системы подачи открытых схем неэффективны и их применение, с точки зрения

снизить при высоких давлениях долю топлива, идущего на при­ вод ТНА. Это соотвественно позволит приблизить по эффек­ тивности «открытые» и «закрытые» схемы систем питания ЖРД-

Для случая, когда оси основной камеры двигателя и дополни­ тельных сопел совпадают, процент снижения удельной тяги можно определить по формуле

* Возможно использование дополнительных сопел в качестве верньерных двигателей.

10

Фиг. 7. Зависимость теоретической и эффективной удельной тяги ЖРД от давления в камере

Как правило, Р уДдс < Р уДт) и компенсация потерь Р уд получается частичной. С этой точки зрения наиболее перспектив­ ной следует рассматривать схему, когда Р уДдс = Р уДт, т. е. так называемую «закрытую» схему с дожиганием, когда газ после турбины поступает в камеру двигателя, где дожигается с ос­ новными компонентами [3]. Возможность дожигания газа в ос­ новной камере после его использования в турбине, как уже было сказано, объясняется тем, что из условия допустимых для

применения в двигателе высоких давлений они являются наи­ более приемлемыми.

11

Выбор конкретной схемы системы питания и ее составных частей определяется прежде всего назначением и размерами двигателя, характером и продолжительностью полета, а также общими требованиями простоты конструкции, малых габари­ тов, удобства эксплуатации и минимального веса.

Для межконтинентальных баллистических ракет, как пока­ зывают расчеты, выигрыш в удельной тяге порядка 1 % соот­ ветствует увеличению дальности на 3—6%, любопытны цифры, приведенные в работе [9].

При полезном весе спутника Земли, равном 5,5 г.

Для упомянутого класса летательных аппаратов небольшой процент снижения расхода топлива на привод турбины ТНА и соответствующее увеличение удельной тяги может дать сущест­ венный выигрыш в величине полезного груза ракеты или даль­ ности полета.

Снижение расхода топлива на привод насосов Ж РД воз­ можно осуществить и за счет совершенствования элементов си­ стемы питания и, в частности, к. п. д. насосов и турбины.

Рассмотрим пример мощного жидкостно-реактивного дви­ гателя (или связки двигателей) с тягой в условиях стенда Р —

— 300 т, работающего на компонентах топлива «кислород» —

ду открытая схема питания), от расхода топлива через основ­ ные камеры составляет примерно 5%.. Если считать, что на каждую тонну тяги в 1 сек. расходуется топлива около 3,5 кг, то количество топлива, расходуемого на привод ТНА при ра­ боте двигателя в течение 1 мин. составит

G tha = 300-3 , 5 -60-0,05 = 3180 кг!мин.

Если бы удалось увеличить к. п. д. турбины в таком двигателе

тели) с малой продолжительностью работы расход топлива на привод ТНА не является определяющим с точки зрения выбора

12

схемы питания. Здесь большую роль играют вопросы просто­ ты, надежности, габаритные и весовые данные.

2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТУРБИН ЖРД

Указанные в § 1 самые общие соображения по выбору схе­ мы системы питания ЖРД, а также степени совершенства ее элементов связаны в основном с условиями применения и на­ значением летательного аппарата, что предъявляет большое число противоречивых требований и соответственно конструк­ тивных решений элементов системы. Однако во всем этом мно­ гообразии отдельное рассмотрение систем питания, выполнен­ ных по «открытой» и «закрытой» схеме с дожиганием, позволяет выделить ряд особенностей и сформулировать требования к их элементам, а также указать направления и соображения к вы­ бору оптимальных параметров, в частности, турбин ТНА.

Турбины «открытых» схем систем питания

В «открытых» схемах систем питания рабочее тело после турбины эффективно не используется в связи с низкими значе­ ниями удельных тяг в дополнительных соплах. Ввиду этого естественным требованием для таких схем является требова­ ние минимального расхода топлива, идущего на привод турби­ ны ТНА. При заданном значении потребной мощности для при­ вода насосов (потребная мощность на привод вспомогательных агрегатов, если они применяются, обычно незначительна) это

поэтому она может быть увеличена как за счет увеличения адиабатической работы, так и за счет увеличения к. п. д. тур­ бины. Как известно, адиабатическая работа турбины опреде­ ляется выражением

где k, R — показатель адиабаты и газовая постоянная;

=Р * — степень расширения газа в турбине;

13

рабочем теле зависит от температуры газа перед турбиной и степени его расширения.

Температура газа перед турбиной определяется прочност­ ными возможностями ее элементов. Для большинства турбин ЖРД диски и лопатки которых не охлаждаются, выбирают

Т* =.’ 750— 1200° абс.

Вотдельных случаях, ввиду коротких лопаток турбины и кратковременности действия, Т * доводят до 1500° абс. Что же касается степени расширения газа в турбине, то ее можно ме­

нять в широких пределах.

Величина отношения p j p 2 зависит от чисел Мг и М 2а перед и за турбиной и степени геометрического уширения тур­

п — показатель политропы.

Максимальный перепад давлений в турбине получается прк' ее «запирании» по выходному сечению, т. е. при М2а — 1.

степень расширения газа в одной ступени турбины.

При этом необходимо иметь в виду, что чем больше сте­ пень расширения газа в 'одной ступени турбины, тем больше гидравлические потери и особенно потери с выходной ско­ ростью и, следовательно, тем меньше к. п. д. турбины.

Однако, несмотря на падение к. гь д., увеличение перепада давлений, как правило, приводит к увеличению работы.

Покажем это на примере активной турбины. Для простоты рассмотрим работу на окружности колеса и предположим ра­

14

после соответствующего преобразования получим

Из формулы (11) видно, что при заданной окружной ско­ рости и чем больше перепад давлений, или, что то же, чем боль­ ше скорость истечения на выходе из соплового аппарата тур­ бины ci, тем больше работа газа на окружности колеса тур­ бины.

Разделив обе части уравнения (11) на u2/g, получим выра­ жение для коэффициента мощности активной турбины, харак­ теризующего величину ее работы

На фиг. 8 показано изменение ij, и ц в зависимости ота/щ. Отметим, что при выборе перепада давлений на турбине необходимо стремиться к получению не только большой рабо­ ты и малого расхода, но и высокого к. п. д. В одноступенчатой турбине эти требования нельзя удовлетворить (фиг. 8). Их осу­ ществление возможно только в многоступенчатых турбинах со

ступенями скорости и в особенности со ступенями давлений.

Фиг. 8. Зависимость коэффициента 'мощности и к. п.д. турби­ ны от параметра «Ал

15

Повышенные гидравлические потери в турбинах открытых схем объясняются наличием сверхзвуковых скоростей газа как на выходе из соплового аппарата, так и на входе в рабочие ло­

1000 м/сек, тогда как величины окружных скоростей ограничи­ ваются значениями и — 250—350 м/сек. В результате этого величины к. п. д. одноступенчатых турбин открытых схем су­ щественно ниже к. п -Д. турбин ТРД и лежат в пределах т)э =

=0,3 — 0,5.

Втабл. 1 приведены данные некоторых турбин ТНА ино­

Рабочие тела турбин ТНА

Рабочие тела для турбин создаются в специальных газоге­ нераторах в результате химической реакции топлив, аналогич­ ных топливам основных камер.

В генераторЗх газа могут использоваться жидкие или твер­ дые однокомпонентные топлива, разложение которых протекает с помощью катализаторов. На фиг. 9 приведена характеристи­ ка разложения перекиси водорода (Н20 2)- различной концент­ рации [4].

На оси абсцисс этой фигуры отложена концентрация пере­ киси водорода, а по оси ординат — температура разложения

16

Т * , показатель адиабаты k и произведение R T * , характери­ зующее работоспособность газа. Из этой фигуры следует, что ьыбор концентрации перекиси водорода обеспечивает получе­ ние широкого диапазона температур, вплоть до максимально допустимых в настоящее время

Фиг. 9. Характеристики продукФиг. 10. Характеристики продуктов разтов разложения перекиси водорода ложения окиси этилена при различных

различной концентрации давлениях

Более высокие показатели имеет другое однокомпонентное' топливо — окись этилена (С2Н40 ), результаты расчета кото­ рого при различных давлениях даны на фиг. 10 [4].

Использование в газогенераторах ТНА того же топлива, что и в основных камерах, является наиболее предпочтитель­ ным. Отсутствие дополнительных емкостей для топлива, иду­ щего на привод ТНА, и, соответственно, дополнительных эле­ ментов подачи упрощает конструкцию, снижает вес и облегчает условия эксплуатации.

Топлива ЖРД, как известно, в зависимости от выбранного соотношения компонентов могут развивать очень высокие тем­ пературы. Из условия прочностных возможностей элементов турбин температура сгорания компонентов в газогенераторах должна быть снижена, что может быть достигнуто соответствую­ щим выбором соотношений расходов горючего и окислителя. На фиг. 11 показаны теоретические значения температуры и вели­ чины R T Z* продуктов сгорания углеводородного горючего и: окиеяитз^ПГ;на основе азфтной кислоты в широком диапазоне измененияг'Цоэффидаен^иЬбытка окислителя а.

; И®'фиг, И нидао, что снижение температуры продуктов сгоранияЗМ0Ж&т|,^ы^^4тигнуто как избытком, так и недостат-

/ / 5

18

11), выбор величины концентрации или давления в камере для однокомпонентных топлив или коэффициента избытка окисли­ теля для двухкомпонентных топлив позволяет определить толь­

теля адиабаты k. Определение этих величин связано с большими трудностями ввиду неравновесности процесса и сложности опре­ деления состава продуктов сгорания (при я<^1).

Влияние показателя адиабаты на адиабатическую работу показано на фиг. 12.

Как видно из фигуры, при малых значениях irT влияние k на Z-ад незначительно и существенно возрастает при больших чгт. В табл. 2 приведены некоторые функции показателя k.

Турбины «закрытых» схем систем питания

В схемах систем питания ЖРД с дожиганием газа после турбины в основных камерах в противоположность «открытым» схемам нет необходимости стремиться к получению максималь-