Г Л А В А XI
СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЖРД
Система питания Ж РД включает баки для размещения окис лителя и горючего или унитарного топлива, агрегаты подачи ком понентов в камеру сгорания и ряд других деталей (редуктор, клапаны и пр.), обеспечивающих нормальную работу системы пи тания, регулирование двигателя, его запуск и остановку.
Различают два типа систем питания ЖРД:
1) насосные системы питания — системы, в которых подача компонентов в двигатёль производится насосами;
2) вытеснительные системы питания — системы, в которых подача компонентов осуществляется вытеснением их из баков га зом высокого давления.
В двигателях с вытеснительной системой питания баки на гружены высоким давлением; поэтому они выполняются толсто стенными и имеют больший вес в сравнении с баками двигателей с насосной подачей, в которых давление равно атмосферному или несколько его превышает (на 1—3 ага). Вытеснительная си стема питания применяется в двигателях с невысокой тягой или малым временем работы, когда размеры и вес баков оказывают ся сравнительно небольшими. В двигателях с относительно боль шой тягой и длительным временем работы применяются обычно насосные системы питания. Насосная система в настоящее время получила наиболее широкое применение.
§ И.1. НАСОСНЫЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ
Привод насосов в Ж РД обычно осуществляется турбиной. В тех редких случаях, когда Ж РД применяется на самолете в со четании-с ТРД, привод насосов в некоторых конструкциях осуще ствляется от ТРД. Насосы и турбина конструктивно составля ют один агрегат (ТНА).
В Ж РД обычно используют одноступенчатые центробежные насосы. При очень больших величинах напора возможно, приме нение и двухступенчатых насосов. Наиболее часто используют осевые турбины; в некоторых случаях целесообразно применить
радиальные турбины. Схемы ТНА с осевой и радиальной турби нами показаны на фиг. 11.1.
Рабочим телом турбины могут служить продукты разложе ния перекиси водорода или другого унитарного топлива, а также
продукты сгорания основного топлива двигателя. Кроме |
того, |
в |
качестве |
рабочего |
тела, |
турбины может быть при |
менен пар, |
получаемый пу |
тем |
нагрева охлаждающей |
жидкости (компонента топ лива или другой жидкости, например воды) в охлажда ющей рубашке.
Различные насосные системы питания можно под разделить на 3 группы.
1. Открытые системы. В этом случае рабочее тело после турбины выбрасывает ся в атмосферу; оно может быть использовано также для наддува баков.
2. Системы с дожига нием. При такой насосной
—системе рабочее тело, со держащее избыток горючих (чаще) или окислительных элементов, после турбины
|
|
поступает |
в |
основную |
или |
|
|
дополнительную |
камеру, |
|
Фиг. 11.1. Схема ТНА с осевой и ради |
где оно «дожигается» путем |
|
подачи |
в |
эту |
камеру в |
из |
|
альной турбинами: |
бытке |
окислителя |
или |
го |
|
/ —турбина; 2 - насос |
|
рючего. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.Системы с замкнутым циклом турбины. Эти системы х
рактеризуются тем, что турбина работает на паре, получаемом в охлаждающей рубашке. После турбины пар конденсируется и охлаждается в холодильнике, через который протекает компо нент топлива. Образовавшаяся жидкость вновь поступает на охлаждение камеры.
Газогенераторы и параметры рабочего тела турбийы
Газогенератор (ГГ) — это агрегат, в котором вырабатывает ся рабочее тело турбины в результате реакции разложения или сгорания. В зависимости от количества компонентов, поступаю щих в ГГ, различают одно-, двух- и трехкомпонентные газогене раторы.
Однокомпонентные газогенераторы. В этом случае источни ком рабочего тела турбины служит унитарное топливо; наиболее распространенным унитарным топливом является перекись водо рода. Она используется для этих целей не только в двигателях, где является основным окислителем, но и в других двигателях. В последнем случае на борту летательного аппарата нужно иметь три емкости: для окислителя и горючего основного топлива и для перекиси водорода.
Конструктивная схема газогенератора для разложения пере киси водорода в значительной степени зависит от типа катализа-
Ф и г. 11.2. Схема однокомпонентного газоге нератора с твердым катализатором для разло
жения перекиси водорода .
тора. Катализаторы, используемые для ускорения процесса раз ложения перекиси водорода, подразделяют на жидкие и твердые. В качестве жидких катализаторов используются 30—35%-ные водные растворы активных по отношению к Н20 2 солей (напри мер, КМп0.ь NaMnO.|):. В газогенератор в этом случае подаются перекись водорода и жидкий катализатор (в количестве, пример но равном 5% от расхода перекиси водорода).
Более распространены твердые катализаторы. Твердый ката лизатор представляет собой кусочки (линейным размером поряд ка 10 мм) из твердой пористой основы — носителя (гипс, цемент, шамот и др.), пропитанного каталитически активными солями,, например, перманганатами, хромитами и др.
Схема газогенератора для разложения перекиси водорода с твердым катализатором показана на фиг. 11.2. Кусочки катали затора расположены в сетке 2, -установленной в корпусе 1. Через форсунки 3 поступает перекись водорода; соприкасаясь ,с катали затором, она разлагается. Образовавшийся парогаз (Н20 + 0 2) идет далее на турбину.
Количество перекиси водорода, полностью разлагаемое од ним кг твердого катализатора в 1 сек., характеризует активность (производительность) твердого катализатора. С течением време ни активность катализатора уменьшается из-за постепенного вы мывания активных веществ. Полное количество перекиси водо рода, которое может быть разложено одним кг твердого катали-
18. Т. М. Мелькумов, Н. И. Мелвк-Пашае*
затор'а без существенного изменения активности, называется его ресурсом. ■
Активность некоторых современных катализаторов при ис пользовании 80%-ной перекиси водорода доходит до Z\ — 2,5 -г-
Kzlcefc |
при |
ресурсе их Z2 — 600 700 кг/кг. Ресурс бу |
2 ,8 -------- |
лга |
|
|
|
дет больше, |
если |
уменьшить секундную нагрузку |
катализатора. |
Если известен расход перекиси водорода через газогенератор |
Онао„ . то необходимый вес катализатора равен |
|
|
|
Окят = Он а |
( 11. 1) |
Zx
Эта величина должна быть согласована с ресурсом. Необ ходимо, чтобы Gh a - * < Z 2Gk,t. где т — время работы.
Объем пакета твердого катализатора определяется по формуле
где Ткат— насыпной удельный вес катализатора. Для некоторых катализаторов он р^вен укат— 1,2 -н 1,4 кг/л.
Фиг. 11.3. Параметры продуктов разложения перекиси водорода
В некоторых английских Ж РД в качестве катализаторов для разложения перекиси водорода используют серебряные сетки.
Параметры продуктов разложения перекиси водорода зави сят от ее концентрации (фиг. 11.3).
В качестве источника рабочего тела турбины могут быть ис пользованы и другие унитарные топлива, например, изопропилнитрат,- Наиболее целесообразно использование однокомпонент ного газогенератора в двигателях, где один из компонентов раз лагается с выделением тепла. Помимо перекиси водорода, к та ким веществам относятся диметилгидразин, гидразин и другие.
К однокомпонентным газогенераторам можно отнести и гене раторы, работающие на твердом топливе. Такой газогенератор представляет собой камеру, заполненную твердым топливом.. Об разующиеся при сгорании твердого топлива газы вращают турби ну. Такие газогенераторы обычно кратковременного действия и используются они в основном для раскрутки ТНА на запуске.
Двухкомпонентные газогенераторы. В двухкомпонентном га зогенераторе рабочее тело турбины получается путем сжигания основных компонентов топлива: окислителя и горючего, использу емых в основной камере двигателя. Газогенератор представляет собой в этом случае специальную камеру сгорания.
Процесс сгорания в газогенераторе имеет свои особенности. Условия работы турбины требуют, чтобы температура газов перед ней была бы не выше 1200—1400° абс. Такую температуру можно получить лишь при значительном избытке одного из компонентов
(« < 0,3 -г- 0,4 или « > 4 5).
Вэтом случае, кроме продуктов окисления, могут получаться
ипары одного из компонентов. Если избыточный компонент имеет сложное строение, то, кроме того, получаются продукты его раз ложения. Например, при применении нефтяных горючих (и неко торых других) в случае избытка горючего в состав продуктов ре акции могут входить низшие углеводороды, например СН4, СаНб,
исвободный твердый углерод. При малых значениях коэффици
е н т а избытка |
окислителя наблюдается в этом случае образова |
ние кокса и |
сажи, что при длительной и многократной работе |
может привести, к значительному загрязнению тракта рабочего тела.
На выбор избыточного компонента влияют разные обстоя тельства. Так, окислительную среду ( а > 1) нежелательно иметь, когда газ омывает детали (например, в турбине), выполненные
из материалов, способных |
окисляться при |
температурах 700 -н- |
-М40ТР абс. |
' |
ч |
Необходимо также учитывать параметры R и k рабочего те ла, чтобы при данной температуре можно было получить воз можно большую работу турбины.
Иногда приходится считаться и с составом продуктов реак ции. Так, в самолетных двигателях многократного действия могут быть неприятности, связанные с отложением нагара и сажи, кото рые получаются при сгорании некоторых топлив при очень малых значениях а»
В настоящее время известны две схемы организации процес
са в двухкомпонентном |
газогенераторе. В связи с этим можно |
различать, две схемы |
двухкомпонентного |
газогенератора. |
На фиг. 11.4,а показана схема газогенератора, |
в котором все топ |
ливо подается только со стороны головки. Так как для двухком понентных газогенераторов характерно сжигание топлива при
очень малых или больших коэффициентах избытка окислителя, |
а |
следовательно, и низкие температуры газов в газогенераторе, |
то |
применение такого газогенератора целесообразно только для лег-
Горючее
| Горючее
Фиг. 11.4. Схемы двухкомпонентных газогене |
|
|
раторов |
го испаряющихся |
(например, кислород—спирт) или легко вос |
пламеняющихся |
(например, |
азотная кислота—тонка) топлив. |
В газогенераторе на фиг. |
11.4,6 компоненты топлива со сто |
роны головки подаются при относительно высоком коэффициенте избытка окислителя ( а ^ 0 ,5 - ь 0,7). Остальная часть избыточно го компонента (в данном случае горючего) подается на некото ром расстоянии от головки. В этом случае сгорание основной ча сти топлива происходит при больших температурах (2000—3500°), и поэтому процесс отличается высокой скоростью и устойчиво стью. Избыточный компонент, поступающий в газогенератор на некотором расстоянии от головки, подвергается действию горя чих газов и, испаряясь, охлаждает их до необходимой температу ры, Такая схема газогенератора применяется для топлив типа азотная кислота—керосин и им подобных). На фиг. 11.4 приведе ны схемы газогенераторов, в которых охлаждение производится горючим. Для целей охлаждения может использоваться и окис литель.
На фиг. 11.5. приведены расчетные зависимости температуры продуктов сгорания от коэффициента избытка окислителя для двух топлив при малых и больших значениях а. Из графика вид
но, |
что температуру |
менее 1400° |
абс |
можно получить при |
■х< |
0,25 н- 0,35 и при |
а5з5-н6. В табл. |
11.1 указаны расчетные |
параметры для некоторых топлив при |
а — 0,15. |
Ф иг. 11.5. Расчетная температура сгорания двух топлив в зависимости от а:
/ —кислород—керосин; 2—азотная кислота—керосин.
Т а б л и ц а 11.1
|
|
Параметры газов некоторых топлив при |
а = 0,15 |
|
|
|
Горючее |
|
Окислитель |
Т° абс |
R Т кгм/кг |
Керосин |
............................ |
|
|
азотная кислота |
1155 |
63,7 |
■103 |
Керосин . |
. . . |
|
20% NaO4+80%HNO3 |
1165 |
• 62,2 |
• 10s |
Тонка |
. . |
|
. ■ . |
20% N2O4+80°/0HNOs |
1220 |
68,9 |
.103 |
К ероси н |
............................ |
|
|
жид'кий кислород |
1250 |
70,5 |
-10* |
Этиловый спирт . |
|
жидкий кислород |
1080 |
59,5 |
-103 , |
Следует, однако, иметь в виду, что при очень богатых смесях (а < 0,25 -ь 0,3) расчетные значения температуры оказываются на 100—200° выше экспериментальных данных, Это объясняется сложным химическим составом продуктов реакции, который не всегда удается учесть в расчетах, а также тем, что вследствие малых скоростей реакций не успевает установиться термодинами-
ческбе равновесие, в to время как в расчете определяются равно весные состав и температура продуктов сгорания. Для точных расчетов следует ориентироваться на экспериментальные данные по составу и температуре рабочего тела турбины.
Трехкомпонентный газогенератор. В двухкомпонентном газоге нераторе понижение температуры продуктов сгорания достигает ся путем введения значительного избытка одного из компонентов. Этого можно добиться и иным способом, если в газогенератор подавать окислитель и горючее в соотношениях, близких к опти мальным (« = 0 ,5 0,8), а температуру продуктов сгорания по нижать добавлением третьего инертного компонента; обычно для этих целей используют воду. Схема трехкомпонентного газогене ратора показана на фиг. 11.6.
Фиг. |
11.6. |
Схема трехкомпонентного газогенератора |
|
Задачей расчета в данном случае является определение ко |
личества ^н,о |
кг |
воды, необходимого для получения заданной |
температуры 1 кг |
топлива. Для этого следует задаться |
рядом |
значений £н,о и, |
проведя термодинамический расчет состава и |
температуры, определить зависимость температуры от |
£н,о |
далее по заданному значению температуры определить необхо димое количество воды. Расчет ведется без учета диссоциации, так как при нужных для турбины температурах газа диссоциа ция отсутствует.
Если известны состав и температура продуктов сгорания ос новного топлива, то расчет может быть проведен более просто. Воспользуемся для этого уравнением теплового баланса, предпо лагая, что подаваемая для охлаждения вода в химическое взаи
модействие с газами не вступает: |
,, |
|
|
г»,о |
о», |
(П.3) |
здесь |
ТГ— температура продуктов сгорания топлива, посту |
|
пающего через головку; |
|
|
|
Ттт— температура рабочего тела на выходе из газо |
|
генератора; |
|
|
|
.//г — энтальпия продуктов сгорания топлива, |
посту |
|
пающего через головку, |
при температуре сгора |
ния Тг;
|
|
т |
|
|
|
|
|
|
|
Тгг; |
|
|
|
|
! г™ — то же при температуре |
|
|
|
|
/ н7о — энтальпия водяных паров при температуре Т„; |
|
|
/£ о |
— энтальпия жидкой воды при начальной |
темпе |
|
|
|
|
|
ратуре. |
можно найти |
|
|
|
|
Из выражения (11.3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- |
|
/ гГп |
|
|
|
|
|
|
|
|
£н.„о= |
|
|
|
|
( П . 4 ) |
|
|
|
|
|
|
|
j T гг __ Iнf,о |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н 20 |
|
|
|
|
|
|
Зная состав |
продуктов на выходе из ГГ, можно далее |
опре |
|
делить их молекулярный состав и газовую постоянную. |
|
|
На фиг. |
11.7 приведена расчетная зависимость необходимого |
|
количества |
воды |
gn.o |
(линия 1) |
для |
получения |
температуры |
|
1300° абс в зависимости от ко- |
|
|
|
|
|
|
эффициента |
|
избытка |
окисли |
|
|
|
R T - 10'3,#гм /кг |
|
теля; топливо: азотная кисло |
|
|
|
|
|
|
та—керосин; там же даны зна |
|
1,4 |
|
2 |
40 |
|
чения R'T для |
парогаза на вы |
|
|
|
|
|
|
ходе |
из газогенератора |
(ли |
|
U |
|
|
|
|
ния 2). |
|
|
|
|
газо |
|
|
|
|
20 |
|
Трехкомпонентный |
|
|
1,0 |
|
|
|
генератор более сложен в ре |
|
0,8 |
|
1 |
|
|
гулировании, чем двухкомпо |
|
|
|
|
нентный, так как для получе |
|
0,6 0,4 |
|
|
|
|
ния рабочего тела турбины со |
|
0,8 |
1 , 1 |
|
|
стабильными |
|
параметрами |
Фиг. |
11.7. Параметры рабочего телг. |
|
здесь |
необходимо выдержи |
|
|
трехкомпонентного газогенератора |
|
вать |
точное |
|
соотношение |
рас- |
|
|
|
необходимо |
|
ходов трех |
компонентов. |
Кроме того, в этом случае |
иметь третий компонент. Однако в трехкомпонентном газогенера торе можно избежать нежелательного состава продуктов, кото рый может иметь место в некоторых двухкомпонентных газоге нераторах.
Параметры турбонасосного агрегата
Необходимый напор насоса. Обозначим повышение давления жидкости в насосе через Д/?н~ас:
ДРнас= |
ЯТ; |
(11.5) |
здесь 7 — удельный вес жидкости; Н — напор насоса. |
|
Очевидно, |
|
|
^Рнас= = /^под |
Р ви ! |
|
где Рв* — давление жидкости на входе в насос; Рпод— давление подачи, равное давлению жидкости на вы
ходе из насоса.
Найдем необходимую |
величину Дриос для Ж РД |
ракеты |
(фиг. 11.8), летящей под углом 0 к горизонту: |
|
Ртл=Р**+ |
ДРн — 2гн Т sin © —j f Z H; |
(11,6) |
Р«с= Рб— V bc+ zbc7 sin 0 + zBC7У, |
(11.7) |
здесь
Pc— давление в баке;
/>к — давление в камере его-' рания;
А/>Ф — перепад давления на форсунках;
ЬРвс— потери давления на вса сывающей магистрали; АРн — потери давления на наг нетающей магистрали;
/ — осевая перегрузка, рав - ная отношению осево го ускорения к ускоре нию силы тяжести.
Если компонент, подаваемый данным насосом, используется в качестве охлаждающей жидко сти, то в потери &р„ входят так же гидравлические потери в ох лаждающей рубашке.
В ракетах обычно величина г„ мала и ею в расчетах можно пренебречь. Тогда
a/W = P k*+ а/?ф+ Дл +
+ дРвс — /^б— 2Гвс Т (sin 0 + /).
( 11.8)
Основную долю здесь составляет давление в камере. Хотя роль р к велика, но величина Ьр„ (особенно для компонента, используе мого для целей охлаждения) также может быть значительна.
Вовремя полета ракеты величины/, 0 и ,?вс меняются, поэто му при неизменных потерях давления на всасывании и постоян ном давлении в баке (если нет специального регулирующего уст ройства) давление на входе будет меняться.
Потери давления в магистралях складываются из местных потерь 1ри и потерь на трение Д/>тр , которые определяются сле дующими известными соотношениями:
■а
