книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

рах рабочего тела турбины, известном топливе и параметрах ТНА и, таким образом, определить возможность получения заданного давления в камере. Можно также определить необходимый пере­ пад в турбине для обеспечения заданного давления в камере. Следует иметь в виду приближенность формул (11.27). При точ­ ных расчетах необходим детальный учет различий в параметрах (Д/W > "'Ih) отдельных насосов.

Система питания с замкнутым циклом турбины. В замкнутых системах питания рабочее тело турбины получается путем нагре­ ва и испарения охлаждающей жидкости в рубашке основного двигателя. В качестве охлаждающей жидкости может быть ис­ пользована вода или водоспиртовые смеси, имеющие более низ­ кие величины температуры замерзания, чем вода. Полностью испарять охлаждающую жидкость в рубашке нецелесообразно,

так как при значительном паросодержании сильно уменьшаются критические тепловые потоки и поэтому ухудшаются условия ох­ лаждения камеры. По этой причине целесообразно в рубашке ох­

4—насосы; 5—камер*

М г= Л / „ '‘ок'1_ А/’н г -f- Л /н ж . (1 1 .2 8 )

где AU — мощность насоса охлаждающей жидкости.

Зная мощность Л/т, можно определить необходимый расход пара для турбины

75 JVT

■^•ад т Т)т

Адиабатическую работу турбины, работающей на паре, при известных параметрах (давлении и температуре) перед турбиной и заданном давлении за турбиной следует определять по

292

где Q — количество тепла, отданного в охлаждающую жидкость в камере;

Сж, г — расход, теплоемкость и теплота испарения ох­ лаждающей жидкости;

ДГЖ— подогрев охлаждающей жидкости в рубашке; х — степень сухости пара.

Количество тепла Q должно быть достаточным для получе­ ния .необходимого расхода пара при нормальных условиях ох­ лаждения двигателя.

Всистеме питания с замкнутым циклом турбины так же, как

ив системе с дожиганием, отсутствуют потери, связанные с вы­ бросом неиспользованного рабочего тела турбины. Поэтому в

данном случае

‘Р уд Эф— ‘Р уд •

По эффективности эта система практически аналогична си­ стеме с дожиганием при одинаковых давлениях в камере.

Однако условия запуска, регулирования и обеспечения ус­ тойчивой работы двигателя с замкнутой системой более сложны. Весьма трудным вопросом здесь является обеспечение постоянст­ ва расхода пара с устойчивыми параметрами.

§ 11.2. ВЫТЕСНИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

Обязательным агрегатом вытеснительной системы является аккумулятор (генератор) газа, используемого для вытеснения компонентов из бака или, как его также называют, аккумулятор давления. В Ж РД применяются газовые, пороховые и жидкост­ ные аккумуляторы давления. В первом случае необходимый для вытеснения окислителя и горючего газ запасен в баллоне высоко­ го давления; во втором случае вытеснение компонентов из баков производится продуктами сгорания пороха и в последнем слу­ чае — продуктами сгорания или разложения жидких топлив. В вытеснительных системах питания, как уже отмечалось, баки нагружены высоким давлением — давлением подачи. В этих> си­ стемах увеличение давления в камере приводит к значительному утяжелению двигательной установки (включая баки). В этой свя­ зи в таких системах давление в камере обычно не превосходит 20—30 ага, так как увеличение удельной тяги при дальнейшем ро­ сте !\* не компенсирует ухудшения весовой-отдачи летательного аппарата, вызванного утяжелением конструкции.

Система с газовым аккумулятором давления. Системы питания с газовым аккумулятором давления (ГАД) отличаются простотой конструкции. Схема двигателя с такой системой питания показа­ на на фиг. 11.19. В аккумуляторе давления 1 находится газ — обычно воздух или инертный газ (например, азот, гелий). На­ чальное давление газа в аккумуляторе давления высокое и равно PtK о = 150-5- 300 ата. Увеличение начального давления позволяет уменьшить габариты баллона, но ограничено возможностями за­

293

правочных средств. Уменьшение давления газа от его величины в аккумуляторе до давления подачи производится редуктором давления.

Во время работы двигателя давление р ак газа в аккумулято­ ре понижается. Для поддержания постоянной величины тяги необходимо, чтобы давление газа в баках (дав­ ление подачи) оставалось постоянным; это вы­ полняется редуктором давления 2. Таким об­ разом, редуктор давления выполняет две функ­

двигателя показано на фиг. 11.20.

Вычислим необходимый объем газового аккумулятора давления. Пользуясь законом сохранения энергии, можно записать следую­ щее равенство:

UaKo = U6K+ U a4 + A L ± Q , (11.30)

р , кг/см ?

здесь l/aKj I и аКк — внутренняя энергия газа в газовом аккуму­ ляторе давления в начальный и конечный моменты работы двигателя;

294

репада давления в редукторе, необходимого для его нормальной работы, обычно раКк — p nw= t5-ь 10 кг/см2.

Система с жидкостным аккумулятором давления. Объем газо­ вого аккумулятора давления может составлять до 30 % от объе-- ма баков. Поскольку к тому же стенки аккумулятора из-за высо­

295

кого давления выполняются толстыми, то вес его может состав­ лять значительную долю веса двигательной установки.

Уменьшение веса двигательной установки возможно, если заменить газовый аккумулятор давления на жидкостный или по­

,ратор, причем принципиально возможно при­ менение всех вышерассмотренных типов ГГ.

Наиболее часто в качестве ЖАД исполь­ зуют двухкомпонентный газогенератор. Тем­

•296

ракетному двигателю на твердом топливе; для вытеснения ком­ понентов топлива из баков используются газы, образующиеся при сгорании порохового заряда.

По величине перепада давления газов между аккумулятором и баком различают сверхкритический и докритический ПАД;

всверхкритическом ПАД давление газов достигает 200—250 ага.

Вдокритическом ПАД давление газов почти равно давлению по­ дачи и поддерживается постоянным при помощи клапана сброса

давления. В Ж РД обычно применяют докритические пороховые аккумуляторы давления, обладающие более благоприятными ве­ совыми характеристиками.

Топливо для ПАД должно обладать способностью устойчи­ во гореть при относительно низких давлениях (30—50 ата) и иметь слабую зависимость скорости горения от начальной тем­ пературы заряда. Продукты горения должны иметь невысокую температуру. Возможно использование одного ПАД для обоих баков; иногда применяют два аккумулятора: один — для бака горючего; другой — для бака окислителя и устанавливают их в непосредственной близости от баков.

Рассмотрим элементарный расчет размеров заряда, считая площадь поверхности горения постоянной. Площадь поверхности горения заряда найдется из условия, что объемный расход жид­

кости из бака — равен объемному расходу пороховых газов —

ТТб

где Тб= — весовая плотность пороховых газов в баках,

RT6

поэтому

@Рпод

=‘ т RT6

или

Т

здесь Так— температура газов в пороховом аккумуляторе дав­ ления;

|<?т — коэффициент, учитывающий тепловые потери

фт = 0,Зч-0,4.

297

С д р у г о й с т о р о н ы ,

где Лор — поверхность горения заряда; ■аУгор — линейная скорость горения заряда;

Тт— весовая плотност твердого топлива (пороха).

Т'Рт ^ Л к ^гор Тт

где т— время работы двигателя.

Скорость горения wrop зависит от начальной температуры за­ ряда, поэтому при данных Л о р и /, при разных начальных темпе­ ратурах будут разные значения Ог и т. При высокой начальной температуре порохового заряда О,, будет иметь большее значе­ ние, а ~ меньшее; при низкой начальной температуре — наобо­ рот. Если размеры пороховой шашки выбраны из условия мини­ мальной температуры, то при высоких температурах будет избы­ точный расход пороховых газов, который будет стравливаться клапаном, а время горения будет меньше расчетного. Если за­ ряд рассчитывался из условия максимальной температуры, то при меньшей температуре расход газа, а следовательно, и тяга двигателя будут меньше заданной, а время горения заряда

ны. Весовые же характеристики их различны. Наибольшим весом обладает система с газовым аккумулятором давления. Системы с ЖАД и ПАД весят меньше в силу меньшего объема аккумуля­ торов давления и.более высокой температуры рабочего тела. Сравнительная характеристика этих систем дана на фиг. 11.22, где по оси абсцисс отложен относительный удельный вес системы питания. Под удельным весом системы питания понимается отно-

2 9 8