Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

482 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

ках, стартовых и маршевых самолетных двигателях. Однако при­ сущие этой системе положительные особенности в некоторых слу­ чаях могут обусловить целесообразность применения ее и для дви­ гателей относительно больших тяг и продолжительностей работы.

К достоинствам турбонасосной системы топливоподачи отно­ сятся:

1) облегченная конструкция топливных баков, так как баки ра­

ботают под невысоким давлением газов;

2)вес ТНА не зависит от продолжительности работы двигателя;

3)вполне удовлетворительное постоянство подачи компонентов топлива в камеру сгорания двигателя;

4)возможность использования отработавших газов турбины для управления полетом и стабилизации снаряда;

5)большая удельная тяга двигателя, так как оптимальное дав­

ление газов в камере сгорания при этой системе обычно оказывает­ ся выше, чем при вытеснительных схемах топливоподачи.

Кнедостаткам турбонасосной системы топливоподачи относят­

ся сложность ее конструкции, снижающая надежность и повышаю­ щая стоимость двигателя, а также крутящий момент турбонасос­ ного агрегата, передающийся аппарату, который может потребо­ вать специальной компенсации.

Турбонасосная система топливоподачи применялась в двигате­

лях для снарядов дальнего действия с тягой свыше 18—25 т при продолжительности работы больше 60 сек. При облегченной и эко­

номичной конструкции ТНА эта система топливоподачи может оказаться целесообразной для двигателей меньших тяг и продол­ жительности работы.

Следует иметь в виду, что создание турбонасосной системы топ­ ливоподачи является весьма сложной и трудной задачей, особен­ но в тех случаях, когда приходится иметь дело с сильно агрессив­

ными компонентами топлива. Вопросы осуществления дозирую­ щих и регулирующих устройств этой системы также сложны и до сего времени в достаточной мере не исследованы.

Время выхода ТНА на расчетный режим может достигать 2 сек. при суммарном времени выхода двигателя на режим не бо­ лее 2,3 сек.

После выбора рационального типа и конструкции отдельных

элементов системы топливоподачи выбирают систему зажигания,

управления, автоматики и автоблокировки ЖРД. Удачное решение этих вопросов гарантирует надежный запуск, работу и остановку двигателя.

§ 2. Основы проектирования и расчета

топливных баков ЖРД

Топливные баки ЖРД представляют собой резервуары для го­ рючего и окислителя. При их проектировании приходится решать следующие вопросы:

484 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

При нагнетательной системе топливоподачи баки составляют малый процент от общего веса снаряда и часто бывают относитель­ но просты в конструктивном отношении. В случае вытеснительной системы вес баков может составлять приблизительно 20—30% от общего веса снаряда без топлива.

Баки должны обладать высокой стойкостью против коррозии. Это

требование приобретает особую важность при работе ЖРД на агрессивных компонентах топлива, особенно когда необходимо длительно хранить их в баках двигателя.

Баки должны быть просты в изготовлении и удобны в эксплуа­ тации. Топливные баки в основном изготовляют сваркой. К свар­ ным швам баков предъявляют высокие требования в отношении прочности, пластичности, плотности и коррозионной устойчивости.

Сварка должна производиться так, чтобы деформации металла были минимальными.

Несущие баки должны иметь плавные обводы, соответствую­ щие обводам снаряда. Баки должны располагаться на одной оси со снарядом (при последовательной схеме размещения). Конструк­ ция топливных баков должна также удовлетворять ряду эксплуа­

тационных требований: возможность быстрого опорожнения в ава­

рийных случаях, измерения в баке уровня жидкости, быстрого сбро­ са давления. В некоторых случаях для гидростатических испыта­ ний, очистки, внутреннего осмотра бака нужно предусмотреть

люки.

2. Геометрические формы и взаимное распо­ ложение баков на аппарате. Топливные баки ЖРД обычно выполняют цилиндрической формы и располагают их на боевых аппаратах раздельно (один за другим) или концентрично

(один внутри другого).

Общепринятым образцом компоновки реактивного снаряда яв­ ляется последовательное расположение цилиндрических топливных

баков впереди камеры двигателя.

Выбирать ту или иную форму топливных баков и схему их рас­ положения на аппарате необходимо с учетом весовых характери­ стик баков, мест их расположения, а также связанных с этим тех­ нологических, экономических и других факторов.

Если имеется возможность выполнять баки длинными, то для их расположения целесообразно выбрать более простую раздельную схему, а при значительном диаметре снаряда преимущество иногда может быть на стороне баков концентрической схемы (фиг. 10. 7, в).

Концентрическая схема расположения топливных баков может быть оправдана только необходимостью обеспечить заданные ве­ совые и летные характеристики снаряда, так как они относительно сложнее в изготовлении.

Несущие топливные баки часто выполняют «объединенной» кон­ струкции (см. фиг. 10.7,6). Основной недостаток этой конструк­ ции, как и баков с концентрическим расположением, состоит в опас­

двумя баками.

Для двигателей с турбонасосной системой топливоподачи по условиям работы насосов иногда целесообразно впереди распола­ гать бак окислителя. Вообще же расположение баков может быть различным; баки располагают так, чтобы снаряд был устойчи-

Ф!иг. 10.7. Принципиальные схемы расположения на снаряде топливных баков двигателя.

а—раздельное последовательное расположение баков, б—объединенная конструкция баков с последовательным расположением, в—концентрическое расположение баков, 1—аккумулятор давления, 2—редуктор давления, 3 и 4—топ­ ливные баки, 5—камера двигателя.

вым. При решении вопроса о расположении баков на снаряде не­ обходимо отдать предпочтение тому варианту, при котором центр тяжести баков по мере выгорания топлива будет меньше смещать­ ся относительно его начального положения. С этой целью топлив­ ные баки обычно располагают на снаряде возможно ближе к его

центру тяжести.

Диаметры топливных баков определяются конструкцией и на­

значением снаряда, а длина их — потребным запасом топлива для работы двигателя. Отношение длины бака к его диаметру часто равно 2—5, а в некоторых конструкциях последних лет даже дости­ гает 8—12 (ракета -кАэроби», «Корпорелл» и др.).

Днища топливных баков часто выполняют сфероидальной фор­

мы. Однако иногда может оказаться целесообразной коническая форма в виде воронок. Такая форма днищ со стороны забора жидкости обеспечивает повышенную скорость жидкости перед тру­

486 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

бопроводом, а также исключает необходимость в применении ба­ ковых заборных устройств.

Размещение одного бака частично внутри другого позволяет уменьшить избыточное давление на коническое днище и заборный

трубопровод одного из баков и выполнить их более тонкими и лег­ кими.

3. Внутрибаковые заборные у с т р о й с т в а. В кон­ струкции каждого бака необходимо предусмотреть установку важ­ ных для его работы деталей: приспособлений для заправки, слив­ ных и предохранительных клапанов и др. В нагруженных баках многоразового действия иногда устанавливают клапан сброса дав­ ления. В баках больших объемов часто делают люки для осмотра их внутренней части и ремонта.

При маневрах снаряда жидкие компоненты топлива в баках за

счет центробежных сил могут быть отброшены от заборного патруб­ ка, особенно в тот момент, когда в баках будет небольшое количе­ ство жидкости. Это может вызвать остановку двигателя и даже

взрыв его в случае использования самовоспламеняющихся компо­ нентов.

Кроме того, в баках возможно вспенивание жидкости в резуль­

тате воздействия струи газа от аккумулятора давления, бурное пе­ ремешивание газа с жидкостью и образование в ней пузырей, что значительно нарушает нормальную работу двигателя.

На выходе жидкости из бака при определенных условиях воз­ можно ее завихрение с образованием воронки, что может привести к прорыву рабочего газа из бака в отводящий трубопровод до пол­ ного израсходования жидкости и, следовательно, к остановке дви­ гателя.

Для предохранения жидкости в баках от воздействия струи газа при входе, торможения волн и вспенивания при маневрах и перегрузках снаряда, а также для борьбы с образованием воро­ нок на входе в заборное устройство устанавливают перегородки,

диафрагмы и специальные воронкогасители.

Для предотвращения оголения заборного бокового патрубка при маневрах снаряда применяют специальные внутрибаковые за­ борные устройства.

Известны следующие основные конструкции внутрибаковых

топливозаборных устройств (фиг. 10.8):

1)шланговые гибкие заборники;

2)поворотные хоботовые заборники;

3)баковые передвижные поршни;

4)гибкие вытеснительные мешки.

При вытеснительных системах топливоподачи с ПАД или ЖАД необходимо в допустимых пределах ограничивать температуру га­ зов, поступающих в топливные баки (обычно не выше 800—900° С),

чтобы избежать чрезмерного нагревания стенок баков и снижения их прочности.

количество воды или охлаждая газовый трубопровод одним из компонентов топлива. При использовании ЖАД температуру про­ дуктов сгорания можно также снизить изменением коэффициента

состава топлива.

4. Определение потребного объема топлив­ ных баков. Потребный объем бака соответствующего компо­

нента топлива определяют по формуле

Фиг. 10.8. Принципиальные схемы заборных устройств топливных баков.

а—бак со шланговым забором, б—бак с хоботовым заборником, в—бак с поршневым заборником, г и д—баки с вытеснительными мешками, 1—подвод газа, 2—шланговый хобот, 3—поворотный хобот, 4—поршень. 5 и d-вытесни­ тельные мешки, 7—гаситель. 8—выход компонента топлива.

^Б —^расч + Кар + ^пож Л(3'

где '/'расч=-^-г2—расчетный объем данного компонента,