Основные параметры систем подачи компонентов

В ЖРД используются топлива, состоящие из жидких компонентов — жидкий окислитель и жидкое горючее, или однокомпонентные топлива. Массовый расход топлива составляет килограммы и тысячи килограммов в секунду. Значение массового расхода топлива определяется тягой и удельным импуль­сом двигателя:

, (6.1)

где — массовый расход топлива ЖРД, кг/с, определяемый суммой массовых расходов компонентов- окислителя и горючего :

; (6.2)

- тяга, Н; - удельный импульс, м/с.

Удельный импульс ЖРД в зависимости от выбранных компонен­тов находится обычно в пределах 2500... 4500 м/с. Оценим при­ближенно расход топлива в ЖРД. Если принять = 3300 м/с, то на каждые 10 кН тяги потребуется 3 кг/с расхода топлива.

Массовый расход каждого из компонентов можно определить по суммарному расходу топлива и выбранному значению соотноше­ния компонентов

. (6.3)

С помощью формул (6.2) и (6.3) получим

; (6.4)

(6.5)

Как правило, больше единицы (обычно — 2... 6), т. е. массовый расход окислителя больше расхода горючего. Объемный расход компонента находят по массовому расходу и плот­ности:

; , (6.6)

где и - соответственно объемные расходы окислителя и го­рючего; и - плотности окислителя и горючего.

Обычно плотность окислителя (производные азотной кислоты, жидкий кислород и пр.) больше, чем плотность горючего (керосин, спирты и пр.), поэтому разница в объемных расходах окислителя и горючего меньше, чем разница в их массовых расходах.

Объемные расходы компонентов составляют тысячные и сотые доли кубических метров в секунду для двигателей с умеренной тягой (до 300 кН) и десятые доли кубических метров в секунду для дви­гателей с большей тягой.

Давление подачи рабочего компонента на выходе насоса определяется давлением в камере сгорания , перепадом на фор­сунках при применении наиболее распространенной схемы двигателя с дожиганием перепадом давления на турбине , и со­противлением гидравлической магистрали на выходе из насоса

(6.7)

При давлении 10... 20 МПа, 0,5... 2 МПа, =5... 20 МПа и = 1.5... 5,0 МПа потребное давление подачи может составлять 20... 45 МПа.

В зависимости от устройства системы питания подача компо­нентов топлива в камеру сгорания ЖРД может осуществляться вытеснением их из бака газом высокого давления или насосами. В соответствии с этим системы подачи компонентов топлива ЖРД делятся на вытеснительные и насосные.

В вытеснительных системах (рис. 1.1) для подачи топлива в ка­меру сгорания используется какой-либо аккумулятор давления. В качестве аккумулятора давления применяют баллон со сжатым газом (воздухом, азотом, гелием) или агрегат, вырабатывающий газ путем сжигания твердого топлива или жидких компонентов какого-либо топлива.

Характерная особенность вытеснительной системы заключается в том, что баки с компонентами находятся под давлением, превыша­ющим давление в камере сгорания. Поэтому баки приходится делать толстостенными. При высоких давлениях в камере сгорания и при значительных количествах топлива, расходуемого за время работы (что характерно для двигателей с большим импульсом тяги), баки при вытеснительных системах подачи будут чрезвычайно массив­ными, неприемлемыми для ракеты.

В насосной системе подачи (рис. 1.2) внутри баков с компонен­тами, например с помощью баллона со сжатым газом, поддержи­вается небольшое давление, необходимое для обеспечения работы без кавитационного срыва насосов. Давление, под которым топливо подается в камеру сгорания, создается насосами, приводимыми в движение от двигателя - обычно от турбины. В дальнейшем агре­гат, состоящий из насосов и двигателя, будем называть насосным агрегатом. Если в насосном агрегате в качестве двигателя исполь­зуется турбина, то такой агрегат будем называть турбонасосным агрегатом (ТНА). Рабочим телом турбины является газ, полученный в газогенераторе двигателя при сгорании компонентов топлива двигателя или при разложении какого-либо вещества (например, перекиси водорода). Насосная система подачи значительно сложнее вытеснителыюй, но при больших количествах расходуемого топлива и высоких давлениях подачи она предпочтительнее из-за меньшей массы. Уже при давлении в камере сгорания, превышающем 5 МПа, применять в ЖРД вытеснительную систему подачи компонентов, как правило, нецелесообразно. Исключение составляют двигатели с малой тягой и малой продолжительностью работы, применяемые для управления спутниками и космическими кораблями.

Насосная система подачи компонентов в настоящее время яв­ляется наиболее распространенной в ЖРД. При насосной системе подачи насос должен обеспечить необходимый расход компонента, при этом давление компонента должно быть повышено от небольшого на входе в насос до высокого, превышающего давление в камере сгорания, см. уравнение (1.8), т. е. насос должен обеспечить большое приращение механической энергии перекачиваемого компонента топлива.

Приращение механической энергии 1 кг жидкости, прошедшей через насос, называется массовым напором насоса, обозначается Н и измеряется в джоулях на килограмм.

Для несжимаемой жидкости можно записать

(6.8)

или

, (6.9)

где и — соответственно полное и статическое давления компо­нента топлива;— скорость компонента; - плотность жидкости; «вх» и «вых»- индексы, относящиеся к параметрам компонента на входе в насос и на выходе из него.

Обычно = 5... 15 м/с, =10...30 м/с. При одинаковых или близких значениях и можно записать

. (6.10)

Потребное давление на выходе (давление подачи компонента) оценивается формулой (1.7). Для определения потребного напора насоса остановимся на оценке располагаемого давления на входе в насос (в случае применения бустерного насоса это будет давле­ние на входе в бустсрный насос). Давление на входе в насос в ракете, летящей на активном участке (рис. 1.3), определяется давлением в баке , инерционным подпором, гидравлическим сопротивлением магистрали, подводящей компонент к насосу, и скоростью потока на входе.

Для жидкости, текущей по трубе, инерционная сила в данном сечении

,

где — уровень столба жидкости над сечением входа; — танген­циальное ускорение ракеты; — площадь сечения трубы.

Инерционное давление

С учетом всех факторов давление на входе в насос

, (6.11)

где - сопротивление участка гидравлической магистрали от бака до входа в насос.

Во время полета ракеты давление на входе в насос не остается постоянным, а меняется при изменении ускорения и уровня жидкости в баке. Па рис. 1.4 показано изменение давления на входе в насос по времени полета ракеты на активном участке траектории, когда рабо­тает двигатель. При старте ракеты обычно составляет 0,2... 0,6 МПа. При движении ракеты давление изменяясь, может проходить через минимум, так как уровень столба жидкости умень­шается, а ускорение ракеты увеличивается (принято, что давление в баке поддерживается постоянным).

Определенная трудность заключается в осуществлении запуска в условиях невесомости. Нельзя обеспечить в этих условиях не­прерывную подачу жидкого компонента к насосу, не принимая специальных мер по разделению жидкой фазы компонента и газа (пара) для наддува. Для обеспечения притока жидкого компонента к насосу могут быть применены капиллярные системы, сетчатые экраны, центробежные сепараторы, вспомогательные двигатели, обеспечивающие необходимое ускорение для прилива компонента к днищу бака, и т. п.

Отметим, что входное давление является важным параметром насосной системы питания ЖРД. При низком давлении на входе в насосе может возникнуть кавитация, приводящая к срыву режима насоса — падению напора, создаваемого насосом, и расхода. Поэтому важно рассчитать насос так, чтобы он обладал необходимыми анти-кавитационными свойствами, т. е. был способен работать без кавитационного срыва при заданных давлении и температуре жидкости на входе.

При наличии бустерного насоса давление на входе в основной насосный агрегат определяется давлением за бустерным насосом. Это давление выбирается таким, чтобы обеспечить работу основного насоса без кавнтационного срыва, обычно это давление не менее 1 МПа.

Зная потребное давление на выходе из насоса и располага­емое давление на входе , можно по формуле (1.10) определить потребный напор насоса. Так как много меньше то напор насоса практически определяется давлением на выходе. Обычно потребный напор основных насосов составляет 15... 45 кДж/кг. Так как плотность горючего меньше плотности окислителя, то напор насоса горючего больше напора насоса окислителя. Для насосов, работающих на жидком водороде (который имеет очень малую плот­ность), потребный напор достигает 150... 500 кДж/кг. Следова­тельно, водородные насосы являются особенно высоконапорными. Мощность, потребляемую насосом, можно подсчитать по формуле

,

где - КПД насоса. Чем больше , тем меньше потребляемая мощность. Обычно = 0,5... 0,8.

При заданных потребном напоре и КПД мощность, потребляемая насосом, определяется массовым расходом компонента (тягой дви­гателя). Для двигателей больших тяг мощность насоса ЖРД может составлять десятки и сотни тысяч киловатт.

Дата добавления: 2014-01-20