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

новного топлива в двигателе в зависимости от давления в камере сгорания и удельного веса топлива.

Если в системе топливоподачи имеется клапан постоянства дав­ ления газа, то расход топлива в газогенератор определится по фор­ муле

Фиг. 10.24. Потребный расход перекиси водорода 80%-ной весовой концентрации для подачи в камеру сгорания двигателя 1 кг топлива в зависимости от давления в камере сгорания и удельного веса подаваемого топлива.

Отработавший в турбине газ входит в сопло выпускного па­ трубка с таким давлением, что создаются критические условия его

истечения в горловине сопла. В результате турбина работает при

постоянном давлении газа на входе и выходе из нее и, следова­ тельно, при постоянной мощности, не зависимой от высоты полета.

Для проектируемого ЖРД тип топливных насосов и их режим работы выбирают на основании результатов анализа коэффициен­ тов быстроходности, весовой и кавитационной характеристик и

554 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

с учетом предъявляемых требований к насосам (высокий к. п. д., небольшие вес и габариты, надежность работы и др.).

Правильный выбор типа топливных насосов и их характеристик

обеспечивает нормальную работу ТНА и двигателя в целом.

§10. Характеристики турбин системы топливоподачи ЖРД

иособенности их проектирования

К турбонасосному агрегату системы топливоподачи ЖРД предъ­ являются следующие основные требования:

1) хорошая приемистость при запуске (способность быстро

иплавно выходить на рабочий режим);

2)стабильность подачи компонентов топлива в камеру сгора­ ния заданного состава;

3)высокий к. п. д. и надежность в работе;

4)простота конструкции;

5)минимальные вес и габариты.

К-п. д. турбины зависит в основном от ее мощности, распола­ гаемого теплоперепада парогаза, числа оборотов и других факто­ ров.

Поскольку к. п. д. турбины почти прямо пропорционален числу оборотов, то ее целесообразно выполнять с возможно большими оборотами (до 40 тыс. в минуту). Но в целях конструктивной про­ стоты и снижения веса турбину часто монтируют на одном валу с центробежными насосами. Это заставляет снижать число оборо­ тов турбины от оптимального по ее к. п. д. до относительного низ­ кого оптимального числа оборотов насосов, соответствующего бес-

кавитационной их работе. При этом турбина работает неэкономич­ но, с резко пониженным к. п. д. и в результате расходует почти в полтора раза больше рабочего тела для своей работы.

Высокий к. п. д. турбины может быть достигнут соответствую­ щим выбором ее рабочих и конструктивных параметров и тщатель­

ной отделкой сопловых и рабочих лопаток, а также надлежащим выбором основных размеров, зазоров в рабочих элементах и т. п.

Надежность работы турбины обеспечивается в первую очередь применением для сопловых и особенно рабочих лопаток материа­ лов, стойких против высоких температур и ползучести.

Диски колеса лопатки и корпус турбины ТНА. при низких тем­ пературах рабочего газа иногда изготовляют из алюминиевого сплава. В этом случае только входной патрубок, вал и небольшое количество мелких деталей изготовляют из стали. Для сопел турбин

одноразового действия могут быть использованы чугун и углероди­ стые стали.

Так как основные ЖРД с турбонасосной системой топливоподачи снарядов дальнего действия фактически работают непро­ должительное время, то экономичность турбины ТНА не имеет

существенного значения. В этом случае первостепенными фактора­

ми являются простота конструкции, малый удельный вес и надеж­

ность работы. Естественно, что газогенераторная установка систе­ мы подачи ЖРД при этом также должна быть конструктивно про­ стой, компактной и небольшого веса.

Если вес вытеснительной системы топливоподачи в основном за­ висит от запаса компонентов топлива в баках (от времени работы и тяги двигателя), то вес турбонасосной системы топливоподачи определяется в основном тягой двигателя и давлением подачи ком­ понентов топлива в камеру сгорания двигателя. Вес ТНА зависит также и от числа оборотов турбины, свойств компонентов топлива,

материала, из которого изготовлены детали турбонасосного агре­

гата, и назначения летательного аппарата.

Вес турбонасосного агрегата ЖРД одноразового действия мож­

но определить приближенно по формуле

6^0,065 и v«0,5.

Параметры турбины зависят от ее мощности, параметров рабо­ чего тела, способа его получения и характера использования в дви­ гателе.

Устройство и расчет турбин для привода топливных насо­ сов ЖРД почти такие же, как и обычных паровых и газовых тур­ бин, подробные сведения о которых приведены в общих руководст­ вах по газовым и паровым турбинам.

Турбину рассчитывают для определенного режима работы, ко­ торый называется расчетным. Этому режиму соответствует наибо­ лее высокая экономичность работы турбины.

Исходными данными для расчета турбины являются:

1)мощность турбины на расчетном режиме и число ее оборо­

тов;

2)секундный расход парогаза в турбину, его начальные и ко­ нечные параметры (давление, температура).

Расчет турбин сводится к определению ее проточных сечений,

размеров лопаток соплового аппарата и рабочего колеса, габарит­ ных размеров и т. п. Эти размеры обычно определяют так, чтобы обеспечить заданную мощность турбины при минимальном расхо­ де парогаза и малых габаритах турбины.

Расчетный режим работы турбины характерен наивыгодней­

шим ее рабочим процессом. При изменении расхода парогаза в турбину или его начальных параметров (давления, температуры)

556 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

экономичность работы турбины снижается, так как последняя бу­

дет работать в нерасчетных условиях.

ВЖРД обычно применяют одноили двухступенчатую турбину

содной ступенью давления и двумя ступенями скорости. Эта тур­

турбину с возможно высоким к. п. д.

Из теории турбин известно, что к. п. д. активной турбины дости­ гает максимального значения при вполне определенном отношении окружной скорости лопаток турбины по среднему диаметру колеса к скорости парогаза на входе на рабочие лопатки турбины u/ci (фиг. 10.25). Однако это наивыгоднейшее отношение скоростей практически невозможно использовать вследствие:

1) ухудшения работы топливных насосов при больших числах

оборотов (турбину и центробежные насосы целесообразно устанав­ ливать на одном общем валу, без редуктора);

2)ограниченного предела прочности материалов движущихся частей турбины, работающих при высоких температурах;

3)необходимости уменьшить габариты и вес турбины.

По этим соображениям турбины топливных систем современных ЖРД обычно выполняют с к. п. д. цт^0,30ч-0,50 при отношении

скоростей и/с-^О, Юч-0,15. В частности, турбина двигателя А-4 имеет u/ci—0,1. Окружная скорость турбин ТНА двигателей дости­

гает и= 150ч-250 м/сек.

Применение трех ступеней скорости газа в турбине позволяет немного повысить ее к. п. д. относительно двухвенечной турбины и уменьшить в ней удельный расход газа. Но это сопровождается утяжелением и удорожанием конструкции турбины, что не всегда це­

лесообразно вследствие кратковременности работы системы топли­ воподачи ЖРД.

Увеличивая теплоперепад газа в турбине за счет повышения дав­ ления или температуры на входе или применяя топлива с большой

теплотворностью для газогенератора, увеличивают скорость ис­ течения газа из соплового аппарата турбины, но ее мощность при этом возрастает незначительно, так как для сохранения принятого отношения u/ci снижается к. п. д. турбины, а конструкция обычно усложняется.

Следовательно, повышение температуры газа на входе в тур­ бину не дает значительного выигрыша, тогда как низкая темпера­ тура газов (380—500° С) допускает широкое использование алю­

миния для изготовления турбины и тем самым приводит к значи­ тельному снижению веса, уменьшению повреждений и коробления деталей.

Для турбин ЖРД не допускается период разогрева. При внезап­ ном впуске в турбину полного расхода горячего газа в деталях

турбины может возникнуть большой тепловой удар и температур­

ные деформации, что увеличивает вероятность появления вредного трения между движущимися частями турбины.

Продолжительность выхода блока ТНА и двухкомпонентного газогенератора на рабочий режим (достижение номинальных обо­

ротов вала ТНА) может достигать 2 сек.

Преимущество, связанное с повышением к. п. д. турбины и, сле­ довательно, с уменьшением в ней расхода газа, можно реализо­ вать только в том случае, если конструкция турбонасосного агре­ гата допускает большие окружные скорости лопаток турбины, на­ пример, при введении шестеренчатого охлаждаемого редуктора между турбиной и насосами или при использовании насосов с боль­ шим числом оборотов вала. Но это мероприятие конструктивно усложняет турбонасосный агрегат, снижает надежность его работы и увеличивает вес и стоимость, а также приводит к дополнитель­ ным потерям энергии на его привод.

Выбрав тип турбины для привода насосов и установив для нее

по ряду соображений наивыгоднейшее отношение скоростей и!сх=-

558 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

— а, можно определить окружную скорость лопаток колеса проек­ тируемой турбины, т. е. и=ас\ м/сек.

Зная значение окружной скорости лопаток турбины и определив для нее число оборотов п, можно определить средний диаметр ко­

леса турбины по известной формуле:

Некоторые турбины современных ЖРД, изготовленные из алю­ миниевого сплава, имеют окружную скорость лопаток (по среднему диаметру колеса) около 150 м/сек при температуре парогаза в пре­ делах 400—450° С.

При одновальной схеме ТНА оптимальное число оборотов тур­ бины необходимо выбирать с учетом кавитационных характеристик насосов горючего и окислителя; определяющим является насос окислителя.

Турбины современных ЖРД имеют плгЗОООч-10 000 об/мин и выше. Число оборотов турбины ТНА устанавливается на основе определения максимального числа оборотов насоса, наиболее опас­ ного в отношении кавитации.

Поскольку общая продолжительность работы турбонасосного агрегата системы топливоподачи двигателей боевых аппаратов сравнительно мала, то при проектировании во многих случаях мож­ но пренебречь влиянием ползучести и усталости конструкционных материалов и увеличивать температуру газов на входе в турбину и окружную скорость лопаток по сравнению с их значениями, при­

нятыми для обычных длительно работающих турбин.

Установка турбины между топливными насосами на одном об­ щем валу в некоторых случаях связана с различными конструктив­ ными и эксплуатационными трудностями. Например, в двигателях

типа А-4 снарядов дальнего действия один из насосов подает

жидкий кислород с низкой температурой (—183°С).

В этом случае необходимо обеспечить не только теплоизоляцию

между нагретой турбиной с жидким кислородом, но также надеж­

ное уплотнение, для того чтобы предупредить проникновение ком­ понентов основного топлива двигателя в корпус турбины.

Вопросы вибраций для турбин ЖРД более сложны, чем для обычных стационарных турбин, в связи с близостью их к исключи­ тельно мощному источнику вибраций, каким является сам ЖРД.

В связи с этим необходимо, чтобы критическое число оборотов ТНА не только отличалось от его рабочего числа оборотов, но и чтобы

оно соответствовало также нижнему участку амплитудно-частотно­ го спектра вибраций двигателя.

Для ЖРД большой тяги и работающих при высоких давлениях в камере сгорания, вероятно, целесообразно применять ТНА редук­

торной схемы (фиг. 10.26), так как для мощных ЖРД выгодно