книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

с секундным расходом топлива в камеру сгорания, меньшим рас­ хода на рабочем режиме (подобно двигателю А-4), и избежания тем самым возможного взрыва двигателя при воспламенении ско­ пившейся в камере сгорания горючей смеси в случае неисправности в зажигании топлива при запуске.

В некоторых существующих двигателях для СДД расход

Gs п~20-4-30% от G,s.

Секундный расход топлива на обслуживание системы топливо­

подачи G's при работе на расчетном режиме составляет около

1,5—3% от секундного расхода топлива в камеру сгорания двига­ теля Gs.

При снижении тяги двигателя посредством дросселирования секундного расхода топлива в камеру сгорания процентный расход топлива на привод турбины насосного агрегата возрастает вслед­

ствие нарушения при этом оптимальных условий работы газогене­ ратора и турбины системы топливоподачи. Например, при тяге двигателя, равной 20% от расчетного значения, расход топлива на

привод ТНА может достигать 10% от G3.

Экономичность двигателя иногда оценивают величиной удель­

ного расхода топлива: 1) на 1 кг тяги в час

2) на тяговую силу-час

с"=ТГрзт=^ж>=с^ кг'л-с-4-

(4- 27)

где V — скорость полета снаряда в м/сек.

Удельный расход топлива в ЖРД в значительной мере зависит от качества самого топлива.

Теоретический удельный расход некоторых топлив в ЖРД при

Приведенные цифры показывают, что кислородные двигатели имеют относительно меньший удельный расход топлива, что объ­

ясняется более высокой Ни топлива на основе кислорода.

При увеличении высоты полета удельный расход топлива умень­ шается обратно пропорционально РуЛИ, если не учитывать инерци­ онные нагрузки.

Удельный расход топлива при работе двигателя на данном ре­ жиме в пустоте не зависит от высоты полета и является постоянной величиной.

Можно считать, что экономия в расходе топлива на 1 % позво­ ляет при прочих равных условиях увеличить полезную нагрузку снаряда приблизительно на 10%•

Пример 2. Двигатель развивает тягу 1000 кг при секундном расходе топлива в камеру сгорания 4,86 кг. Определить удельный расход топлива в двигателе.

Решение.

§9. Способы и пределы регулирования тяги двигателя

Внекоторых случаях к ЖРД предъявляется требование воз­ можности регулирования величины тяги в больших или меньших

пределах. Это может потребоваться, например, для осуществления

заданного закона изменения тяги и ускорения ракеты по времени,

тяговых характеристик.

Жидкостный ракетный двигатель с неизменным секундным рас­ ходом топлива в камеру сгорания обеспечивает снаряду полет с пе­ ременным ускорением ввиду уменьшения противодавления атмо­ сферы с подъемом в высоту (роста статического члена тяги) и сни­ жения веса снаряда по мере выгорания компонентов топлива на снаряде. Практически же для полета баллистических ракет в атмо­ сфере определенной плотности более целесообразным может ока­

регулированием тяги двигателя. При полете этих ракет в пустоте

выгодно иметь двигатель с постоянной тягой. Расчеты показывают,

что для получения наилучших летных характеристик ракет различ­ ного назначения необходимо регулировать тягу двигателя по вре­ мени в соответствии с некоторыми оптимальными для них закона­ ми. Это позволяет значительно увеличить полезную нагрузку раке­ ты по сравнению с ее значением при полете с постоянной тягой.

В случае применения ЖРД для пилотируемых самолетов регу­ лирование их тяги по времени необходимо производить в соответ­ ствии с наивыгоднейшими условиями набора высоты, обеспечения максимальной скорости, дальности и продолжительности полета. Например, для получения максимальной скорости полета самолета требуется возможно большая тяга двигателя, а для максимальной дальности и продолжительности полета необходимо, чтобы двига­ тель работал на соответствующей малой тяге. Для полета самолета на крейсерских режимах и на больших высотах можно регулиро­

вать тягу так, чтобы обеспечить в сопле камеры оптимальное рас­ ширение газов.

Практически регулирование тяги ЖРД может осуществляться посредством:

1)изменения секундного расхода топлива в камеру сгорания

(дросселирования двигателя), т. е. изменения в ней давления;

2)включения или выключения из работы отдельных камер сго­ рания, если двигатель многокамерный.

Изменять секундный расход топлива в камеру сгорания двига­ теля можно путем:

а) изменения давления подачи топлива в камеру сгорания че­ рез постоянное число форсунок, например, регулированием подачи

топлива в газогенератор, в результате чего изменятся число оборо­

тов турбины и производительность насосов системы топливоподачи двигателя;

б) применения поворотных золотников (подобно двигателю БМВ-Р3386), при помощи которых по мере необходимости закры­

вается или открывается часть форсуночных отверстий в головке камеры сгорания для подачи топлива;

в) применения с той же целью групповой системы форсунок

(подобно двигателю «Вальтер» 109-509А), позволяющей по мере надобности включать или выключать из работы отдельные группы топливных форсунок.

В двигателе БМВ-Р3386 поворот регулирующих золотников осуществляется в зависимости от изменения высоты и скорости по­ лета специальным автоматом постоянства числа М. В двигателе

«Вальтер» 109-509А камера имеет 12 форсунок щелевого струйного типа. Все эти форсунки объединены в две группы по три форсунки и одну из шести форсунок. Работой этих групп форсунок по мере

надобности управляет летчик.

ру сгорания относительно его оптимального значения ухуд­

шаются:

1)процессы распыла и смешения компонентов топлива из-за изменения нормального перепада давления компонентов в форсун­ ках;

2)качество рабочего процесса в камере двигателя вследствие

уменьшения в ней давления газов, ухудшения качества распыла

инесоответствия объема камеры сгорания и размеров сопла изме­ нившемуся секундному расходу топлива;

3)условия охлаждения камеры двигателя регенеративным спо­ собом, особенно в тех случаях, когда один из компонентов топлива служит охлаждающей жидкостью; это может привести к перегреву

идаже прогару внутренней оболочки камеры вследствие уменьше­ ния количества топлива в связи с понижением тяги и ухудшения

при этом условий теплообмена с оболочкой не соответственно изме­ нившемуся тепловому режиму работы двигателя.

Кроме того, с уменьшением расхода топлива в камеру сгорания в ней снижается давление и поэтому увеличивается степень диссо­ циации продуктов сгорания, что в общем снижает удельную тягу двигателя и нарушает устойчивость его работы.

Это указывает на то, что способ регулирования тяги двигателя дросселированием может оказаться целесообразным только в срав­ нительно узких пределах.

Потеря удельной тяги ДРуд при дросселировании расхода топли­ ва в камеру двигателя зависит от высоты полета и глубины дрос­ селирования. С подъемом в высоту потеря АРуД уменьшается и в пу­ стоте теоретически равна нулю. Можно считать, что пятикратное уменьшение тяги камеры двигателя за счет дросселирования на уровне моря сопровождается понижением удельной тяги почти на

20% и потерей ее приблизительно на 8% от номинального зна­ чения.

Уменьшение потери удельной тяги, обусловленной уменьшением перепада давлений в форсунках в связи с дросселированием расхо­ да топлива, возможно регулированием тяги путем применения упо­ мянутых выше поворотных золотников или групповой системы фор­ сунок. При этих способах регулирования невыключенная часть форсунок работает при расчетных (оптимальных) перепадах давле­ ния. Однако такое регулирование тяги также связано с неизбеж­ ным ухудшением условий охлаждения камеры двигателя по изло­ женным выше причинам. Кроме того, выключение из работы части

форсунок не обеспечит равномерное распределение компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания, что ухудшит сгорание топлива в относительно большом объеме камеры и вызо­ вет оплавление неработающей части форсунок вследствие притока

к ним газов высокой температуры, а также некоторую асимметрию тяги камеры двигателя.

Качественный распыл компонентов топлива при регулировании

тяги двигателя дросселированием расхода топлива возможен при использовании форсунок с сопловым регулированием. Однако та­ кие форсунки конструктивно сложны.

Многокамерные двигатели допускают ступенчатое регулирова­

ние тяги выключением или включением отдельных камер для рабо­ ты на оптимальном режиме без снижения экономичности двигателя.

Однако многокамерные (блочные) двигатели имеют сравнительно сложную систему топливоподачи в связи с необходимостью синхро­ низации тяги отдельных камер и большие габариты. При изменении секундного расхода топлива в камеру сгорания двигателей, рабо­ тающих с переменной тягой, давление газов в камере должно быть

постоянным; значительное снижение его величины приведет к ухуд­ шению рабочего процесса в камере сгорания, к возникновению не­ устойчивого режима сгорания топлива ц другим отрицательным

последствиям.

Следовательно, регулирование тяги ЖРД путем дросселирова­ ния секундного расхода топлива связано с понижением экономич­ ности работы двигателя, нарушением нормальных условий охлаж­ дения камеры и возникновением неустойчивой работы.

Нижний предел снижения тяги двигателя при дросселировании расхода топлива практически может быть установлен или безопас­

но допустимым нагревом данной охлаждающей жидкости в тракте камеры или возникновением скачка уплотнения газов в сопле, что может иметь место при отношении давлений газов на выходе из сопла и атмосферного воздуха около рв/Ра^0,4.

Приведенное отношение давлений показывает, что практически возможная глубина дросселирования двигателя по этому парамет­ ру для изменения тяги у земли и на малых высотах меньше, чем

на больших высотах. Можно считать, что при понижении тяги и дав­ ления газов в камере сгорания двигателя на 80% температура

охлаждающей жидкости может повыситься почти на 50%.

Если охлаждающая жидкость допускает только незначительное повышение температуры или требуется весьма глубокое дроссели­ рование камеры двигателя для снижения тяги, то может оказаться необходимым изменение состава топлива для уменьшения темпера­ туры продуктов сгорания топлива при весьма малых тягах, приме­ нение пленочной защиты оболочки камеры от перегрева и др.

Регулирование тяги двигателя ниже 10% от ее номинального значения практически осуществить невозможно из-за неустойчиво­ го горения топлива в камере сгорания, чрезмерного повышения

температуры охлаждающей жидкости и резкого снижения удельной

тяги. В некоторых существующих типах авиационных ЖРД, рабо­ тающих на азотной кислоте и керосине, тяга регулируется в преде­

лах 30—100%. Несколько более широкие пределы регулирования

тяги (12—100%) возможны для двигателей, работающих на само­ воспламеняющихся компонентах топлива (табл. 4. 1 ).

Таблица 4.1

Пределы регулирования тяг и некоторых существующих ЖРД

Хороший запуск и плавное регулирование тяги двигателя в ши­ роких пределах могут быть обеспечены только при сохранении необ­ ходимого соотношения компонентов топлива. Это относится также

ксоставу топлива, используемого для работы газогенератора. При невыполнении этого условия может иметь место чрезмерно высокая

температура в камере газогенератора или неравномерность сгора­ ния и даже прекращение реакции.

При проектировании любой системы регулирования двигателя необходимо учитывать требования к системе при режимах запуска,

нормальной работы и в момент отсечки. В общем случае желатель­ но очень точное регулирование всех трех режимов работы двига­ теля; однако возможности конструктора в этом отношении ограни­

чены соображениями практического порядка.

Это обстоятельство приводит к появлению новых проблем, в ча­ стности, обеспечения одинаковых характеристик насосов, и к услож­ нению системы регулирования (наличию нескольких цепей обрат­ ной связи). Применение блока однокамерных двигателей приводит

кдальнейшему усложнению системы в результате появления не­ скольких цепей регулирования.

Поскольку ЖРД с регулируемой тягой по определенному зако­ ну конструктивно очень сложны, то-применение их в ряде случаев оказывается нецелесообразным. На этом основании тяга большин­ ства выполненных современных снарядов не регулируется. В двига­ телях дальнобойных снарядов регулирование тяги может осущест­

вляться в виде одной ступени при запуске и за несколько секунд до остановки двигателя, что вызывается необходимостью обеспе­ чить надежный запуск и остановку двигателя согласно заданной программе.

§ 10. Расходные характеристики двигателя

Расходными или дроссельными характеристиками ЖРД назы­ ваются зависимости абсолютной Р и удельной РуД тяг двигателя при определенных значениях высоты и скорости полета от давле­ ния в камере сгорания ps, т. е.

Р и Руд=/(рк),

или от факторов, определяющих величину этого давления, как то:

секундного расхода топлива в камеру сгорания С3; давления по­ дачи компонентов топлива в камеру сгорания рп; числа оборотов п турбонасосного агрегата, если он входит в систему топливоподачи двигателя, и др.

При помощи расходных характеристик обычно устанавливается наивыгоднейший режим работы двигателя в эксплуатационных условиях и выявляются целесообразность и пределы регулирова­

ния тяги изменением секундного расхода топлива в камеру сгора­

ния.

Расходные характеристики ЖРД по давлению газов в камере сгорания могут быть построены по данным земных испытаний дви­ гателя на стенде и аналитического расчета для земных или произ­ вольных значений высоты и скорости полета.

Расходные характеристики с работающего двигателя на испы­ тательном стенде обычно снимаются при неизменном весовом соот­ ношении компонентов топлива. Выполнение этого условия при пе­ ременных режимах работы двигателя практически весьма затруд­ нено. Расходные характеристики могут также сниматься для опре­

деления удельной тяги двигателя при разных весовых соотноше­ ниях компонентов топлива.

Рассчитать расходные характеристики двигателя практически можно только приближенно, так как нельзя точно оценить умень­ шение коэффициента тепловыделения топлива <рк и изменение по­ казателя политропы п расширения газов в сопле в связи с измене­ нием секундного расхода топлива в камеру сгорания Gs относи­ тельно его расчетного номинального значения G3p. При расчетах расходных характеристик приходится принимать значения <рЕ и п постоянными и равными их значениям при работе двигателя на оптимальном режиме.

Без учета изменения <рк и п по расходной характеристике дви­ гателя имеют место соотношения:

106 Гл. 4. Режимы работы ЖРД

откуда CS=GSB-^- кг/сек-,

Рк.р

откуда Дрс.п= Лл.п.р(тг-')2 = АЛ.п.р (—Y.

где Дрс.„.р и Д/7СЛ] —суммарный перепад давления топлива в вытес­ нительной системе подачи двигателя при работе камеры соответственно на расчетном

инерасчетном режимах работы в кг}см2.

Сучетом этих соотношений общему уравнению тяги камеры двигателя можно придать вид

этой главы.

Тяга камеры двигателя при работе в пустоте, т. е. при FBpa=0, ■определится по формулам:

Рп=Арк или Pb=A'Gs.

Эти формулы показывают, что при работе двигателя в пустоте зависимость Р„ от рк или Ga представляет собой прямую линию,

проходящую через начало координат, а при работе в атмосфере — прямую линию, расположенную ниже предыдущей на величину Р„ра (фиг. 4. 15 и 4. 16). Следует иметь в виду, что расходная ха­ рактеристика двигателя в реальных услпвиях представляет собой

---------расчетные характеристики

---------экспери ментальные

Ф,1иг. 4. 15. Примерные расходные характеристики двигате­ ля при работе в атмосфере и в пустоте.

почти прямую линию только до расходов топлива в камеру, рав­ ных -'•'30—40% от номинального. При более низких расходах топ­ лива расходная характеристика протекает по круто возрастающей кривой, направленной своей левой ветвью вниз.

Удельная тяга камеры двигателя при соответствующем значе­ нии рк определится по формуле

Для данного двигателя отношение ApK.p/Gav есть величина по­ стоянная. Обозначив ее через В и учитывая, что в пустоте ра=0, находим выражение для работы двигателя в пустоте:

^Уд.п = -т;— = В = const.

Gs P

108 Гл. 4. Режимы работбь ЖРД

Это выражение показывает, что при допущении постоянства фк и п по дроссельной характеристике изменение удельной тяги в за­ висимости от рк или Ga при работе двигателя в пустоте представ­ ляет собой горизонтальную линию (см. фиг. 4. 15).

Вследствие ухудшения экономичности работы двигателя в свя­ зи с изменением Gs относительно Gsp и наличия гидродинамиче­ ских потерь энергии газов вви­ ду работы сопла в оптималь­ ных условиях реальная зависи­ мость тяги от давления в каме­ ре сгорания представляет собой некоторую кривую линию,

близкую к прямой (фиг. 4. 17).

Так как кривизна этой линии

весьма незначительна, то при отсутствии данных стендовых

положена уже известная общая формула тяги двигателя: