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

580 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

= 1 +3,5^;

здесь dB — средний диаметр винтовой линии /-того канала.

Длину винтового канала охлаждающего тракта данного участка,

камеры определяют по формуле

где I — длина данного участка тракта и

<Рч> — средний угол наклона винтовой линии данного участка ка­

меры.

рых конструкций охлаждающих трактов камеры первая из этих

потерь может достигать значительной величины и даже превы­ шать значение второй.

Полное понижение давления жидкости в охлаждающем тракте камеры ЖРД может достигать Арохл~5-н20 кг/см2.

В форсунках двигателя понижение давления жидкости опреде­ ляется по известной формуле

д1 / Оф ч2

ДРФ=^(—) ^/ж2.

2g f \^ф/

В трубопроводах двигателя потери давления жидкости (газа)

складываются из потерь на трение жидкости о стенки и местных

потерь и определяются, как уже отмечено, по формулам и данным

справочников по гидравлике. При этом коэффициенты местных со­ противлений определяются в зависимости от рода преграды на пути движения жидкости (газа).

Потерю давления жидкости в соответствующих конструкциях клапанов определяют проливом через клапан воды.

В современных ЖРД суммарный перепад давлений отдельных компонентов топлива в системе подачи двигателя достигает

А^с.п —8-4-25 кг/см2.

Зная величину Арс.п, можно установить давление подачи компо­ нентов топлива в камеру сгорания двигателя и рассчитать на

прочность системы топливоподачи и автоматики управления дви­ гателя.

582 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

ра с целью установления необходимого соотношения компонентов топлива; запускают двигатель раскруткой турбонасосного агрега­ та давлением горячих газов от газогенератора твердого топлива

или сжатого газа от баллона, установленного на борту снаряда или

на стартовой площадке.

Запуск современных ЖРД обычно осуществляется при помощи программного механизма, в котором предусмотрена блокировка

операций, позволяющая, в частности, автоматически выключить двигатель, если при его запуске будет обнаружена неполадка в ра­ боте отдельного узла системы.

Органы управления пусковых режимов для управляемых снаря­ дов предпочтительнее устанавливать на пусковых установках

с целью уменьшения веса двигателя.

Настройку ЖРД для работы на номинальном соотношении ком­ понентов топлива производят калибровкой узлов гидравлических систем двигателя и опытной подгонкой сопротивлений систем для компенсации технологических допусков.

Величину необходимых поправок обычно определяют по данным гидравлических испытаний на воде двигателя с последующим пе­ ресчетом полученных результатов этих испытаний на эквивалент­ ные перепады компонентов топлива.

Эти операции принято называть настройкой двигателя на опти­ мальные параметры работы (технической регулировкой двига­ теля.)

Изменяя проходные отверстия расходных шайб, можно изме­ нять величины гидравлических сопротивлений в магистралях горю­ чего и окислителя и получать требуемые давления, секундные рас­ ходы и соотношения компонентов топлива, поступающих в камеру двигателя для системы топливоподачи и т. п.

Уравнения настройки составляют применительно к конкретной конструкции двигателя. Поправки к исходным величинам потерь давления в расходных шайбах обычно определяют по специальным

графикам, дающим зависимость поправок от величин соответст­ вующих параметров. По специальным графикам также определяют

диаметры проходных шайб в зависимости от требуемых перепадов давлений. Численные значения коэффициентов, входящих в урав­ нения настройки, вычисляют на основе расчетов по определению влияния соответствующих агрегатов двигателя на тягу и соотно­ шение компонентов топлива.

Принцип настройки двигателя с ТНА состоит в том, что любое

отклонение гидравлических параметров, характеризующих работу турбонасосного агрегата, а также клапана постоянства давления, от номинальных значений также компенсируется изменением со­ противления проходных шайб в магистралях топливной системы.

В частности, меняя размеры расходных шайб в магистралях топ­ ливных насосов, можно изменить давление подачи, производитель­

ность, потребляемую мощность й добиться, таким образом, уста-

584 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

уравнению Бернулли для неустановившегося потока, а также по уравнениям баланса массы и момента количества движения.

При этом неустойчивость работы двигателя, связанную с горе­ нием топлива в камере сгорания (динамическая неустойчивость

работы двигателя), обычно не рассматривают, так как полный ана­ лиз ее представляет большие трудности.

Двигатель, настроенный на оптимальный и устойчивый режим работы при помощи расходных шайб или других элементов систе­ мы топливоподачи, будет работать на таком режиме только при ус­

ловии постоянства секундных расходов компонентов топлива в ка­ меру двигателя и их параметров (давления, температуры, соотно­ шения компонентов и др.).

Характеристики двигателя, настроенного при статических испы­ таниях, в условиях полета снаряда будут отличаться от номиналь­ ных значений вследствие ряда факторов, влияющих по тем или иным причинам на рабочие параметры двигателя—давление по­ дачи и секундные расходы компонентов топлива в камеру и т. п.

(см. § 11 гл. 4).

Эти отклонения основных характеристик двигателя от номиналь­ ных значений в условиях полета могут существенно влиять на лет­ ные характеристики боевого аппарата (на скорость в конце актив­ ного участка, дальность полета и т. п.).

Для обеспечения малого разброса основных характеристик дви­ гателя во время полета (для поддержания необходимого режима работы или его изменения по определенному закону) и улучшения летных характеристик снаряда требуется точная и сложная си­ стема автоматического регулирования двигателя. Например, мож­ но снизить влияние разности инерционного давления компонентов топлива во время полета снаряда на их соотношение, установив

в магистраль окислителя специальный автоматический дроссельный клапан; при наличии в системе подачи ТНА вместо дросселя может оказаться целесообразной установка перепускного клапана.

§ 15. Сравнение различных схем систем топливоподачи ЖРД

При проектировании ЖРД заданного назначения одной из са­ мых сложных задач является рациональный выбор схемы системы топливоподачи.

В большинстве случаев наиболее тяжелой частью двигателя яв­ ляется система топливоподачи, которая вместе с автоматикой обеспечивает режим пуска и остановки двигателя. Чем меньше вес системы топливоподачи двигателя при прочих равных условиях, тем большую дальность полета может иметь снаряд с этим двигателем.

Систему топливоподачи ЖРД обычно выбирают после сравне­ ния различных систем по их влиянию на характеристики снаряда, в первую очередь по их весу и экономичности работы, а во вто­

рую—по конструктивной сложности и стоимости.

На фиг. 10. 12 приведены сравнительные графики удельных ве­ сов различных схем вытеснительной системы топливоподачи, из которых видно преимущество схем с аккумуляторами горячего газа

ПАД и ЖАД, имеющих на 20—30% меньший удельный вес, чем схемы с обычным ВАД-1 (без подогрева воздуха перед подачей в топливные баки). Вытеснительная система с ВАД-2 (с подогре­

вом воздуха) занимает промежуточное положение между другими схемами топливоподачи с горячим газом.

Различные схемы турбонасосной системы топливоподачи отли­ чаются друг от друга в основном экономичностью, которая зависит

от термодинамических параметров используемого в турбине паро­ газа, а также некоторой конструктивной сложностью и стоимостью. Сравнение показывает явное преимущество парогаза высокой тем­

пературы, особенно при дожигании его после турбины.

Различные схемы системы топливоподачи можно сравнивать также по величине отношения веса системы топливоподачи G„.p к абсолютной тяге двигателя Р, т. е. по так называемому удельному весу системы подачи по тяге двигателя:

При увеличении времени работы двигателя удельный вес всех систем топливоподачи возрастает почти по закону прямой линии, причем наибольшее возрастание имеет система с ВАД-1 и наимень­ шее— с ТНА. При увеличении тяги двигателя удельный вес ус.п вы­

однако они могут быть полезны для предварительного анализа си­ стем подачи топлива. Кривая для порохового двигателя приведена для сравнения.

Из фиг. 10.32 видно, что данный двигатель при работе на жид­ ком топливе обладает лучшими показателями по величине эффек­ тивной удельной тяги относительно порохового двигателя при вре­ мени работы порядка 10 сек. и выше. Кроме того, ЖРД с газобал­

лонной системой топливоподачи имеют лучшие характеристики по Руд.эф относительно ЖРД с турбонасосной системой при работе в течение 10—20 сек.; при большем времени работы двигателя це­ лесообразнее турбонасосная система топливоподачи.

При решении этого вопроса не следует, однако, забывать, что ЖРД с ТНА конструктивно сложны, и поэтому такая система по­

дачи оказывается дороже вытеснительной системы; кроме того, для привода турбины требуется рабочее тело, получение которого обыч­ но связано с необходимостью иметь газогенераторную установку

или другие средства. По этой причине не исключена возможность использовать вытеснительную систему топливоподачи, несмотря на то, что в данном случае турбонасосная система подачи может обес­ печить двигателю относительно большую эффективную удельную тягу.

Сучетом изложенного можно сделать следующие выводы:

1)применение турбонасосной системы топливоподачи наиболее

выгодно для ЖРД с суммарным импульсом свыше 250 — 270 тыс. кг сек;

2)для снарядов дальнего действия (СДД) наиболее эффектив­ на турбонасосная система топливоподачи;

3)для снарядов с небольшой тягой, но с большой тяговоору-

женностью (для ЗУРС) лучшие результаты дают вытеснительные системы топливоподачи с ПАД и ЖАД;

4)в ЖРД для самолетов более выгодна насосная подача ком­ понентов топлива, так как при этом общий вес двигателя получает­ ся меньше, чем при газобаллонной подаче. Если ЖРД создается как самолетный ускоритель, то насосы могут иметь привод через

шестеренчатую коробку передач от основного самолетного двига­ теля другого типа.

При разработке схемы системы топливоподачи двигателя и ре­ гулирования его работы необходимо выбрать:

1)элементы схемы топливоподачи и их компоновки на проек­ тируемом двигателе;

2)места штуцеров топливных баков и газовых баллонов для заправки системы компонентами топлива и другими рабочими те­

лами, а также запорные, предохранительные и другие органы для заправочных коммуникаций;

3) места присоединения коммуникаций для дренажа воздуха, а

также запорные и другие органы на дренажных магистралях;

588Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

4)приборы, предупреждающие возможность поступления ком­ понентов топлива из баков в камеру сгорания до запуска двига­ теля;

5)органы надежного запуска, нормальной работы и остановки двигателя (включая и систему зажигания топлива) и их располо­

жение;

6)способ и последовательность (программа) работы органов системы запуска и остановки двигателя, а также источники энергии для приведения их в действие;

7)элементы настройки двигателя на заданный режим работы и их действие;

8)органы автоматики системы топливоподачи для дозирования подачи рабочих тел (компонентов топлива, газа) при запуске для нормальной работы двигателя и для регулирования режима его работы по заданной программе;

9)систему автоблокировки топливоподачи двигателя, ее эле­ менты, место и способ их установки.

Число элементов проектируемой системы должно быть возмож­ но меньшим, что повышает надежность ее работы и снижает стои­

мость двигателя.