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

оборотов насоса от его производительности и подпора, вычисленные по формуле (10.85) при £„,=560 для жидкости с удельным весом у = 1000 кг!м\

Фиг. 10. 29. Принципи­

альные схемы ЖРД с независимым (а) и за­

висимым (б) питанием турбины насосного аг­ регата и наддувом топливных баков.

1—баллон сжатого газа.

2—бак однокомпонентно­ го топлива для питания

газогенератора. 3—бак основного горючего. 4—бак окислителя, 5—на­ сос окислителя, 6—управ­ ляемый клапан, 7—камера двигателя, 8—регулиро­

13 — однокомпонентный газогенератор, /4—маги­ страль управления за­ пуском двигателя, 15— вентиль, 16—двухкомпо­ нентный газогенератор.

Кривые этой фигуры показывают, что создание быстроходных насосов большой производительности потребует больших подпоров жидкости на входе в насос (около 5ч-10 атм). В случае же средних расходов компонентов (до 40—50 кг/сек), видимо, можно исполь­

Величина допускаемого наддува определяется прочностью бака

облегченной конструкции, весом газа, используемого для наддува,

и весом системы подачи этого газа. Так как увеличение давления наддува топливных баков связано с увеличением веса системы над­ дува вместе с газом, а также с необходимостью выполнять топлив­

ные баки более прочными и относительно большого веса, то при

установлении максимально допустимого числа оборотов насосов ЖРД нельзя слишком злоупотреблять увеличением давления над­ дува баков газом, ибо это может привести к общему утяжелению двигателя.

Фиг. 10.30. Зависимость предельного числа оборотов насоса от да(вления подпора и расхода жидкости через насос.

Так как насос окислителя более опасен в отношении кавитации, чем насос горючего, то давление наддува бака окислителя должно быть большим, чем бака горючего. Если расположить бак окисли­ теля в носовой части снаряда, то давление наддува можно принятьсоответственно меньшим по сравнению с расположением бака вбли­ зи камеры двигателя в связи с тем, что часть давления на входе в насос может быть получена за счет давления столба жидкости

перед насосом.

Для улучшения работы насоса и повышения числа оборотов его

без чрезмерного увеличения давления наддува в баках, обычно применяют различные меры, например закрутку потока жидкости на входе в крыльчатку насоса путем установки неподвижных на­ правляющих лопаток, включение перед основным центробежным

насосом вспомогательного подкачивающего винтового или лопаст­ ного насоса и др.

■570 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи Ж.РД

Использование винтового насоса для подкачки жидкости перед обычным центробежным насосом представляет значительный ин­ терес (устойчивая работа этого насоса начинается только с 9000— 10 000 об/мин; до этих оборотов насос работает неровно, с пульса­ цией) .

Испытания винтового насоса показали, что напор, создаваемый им, весьма значителен и составляет примерно 30% от общего напо­ ра, развиваемого этой группой. Установка винтового насоса позво­ ляет значительно уменьшить вес и габариты всего агрегата. Кроме того, оказывается возможным значительно увеличить диаметры всасывающих трубопроводов и тем самым свести потери в них до минимума. Это в свою очередь позволяет уменьшить подпор в топ­ ливных баках до минимальной величины. Скорость жидкости на входе в крыльчатку насоса обычно находится в пределах 3—6 м/сек, а на выходе из крыльчатки 3—15 м/сек.

Так как эксплуатация некоторых жидких компонентов топлива сопряжена с опасностью их взрыва при взаимном контакте, то должны быть приняты особые меры для исключения течи жидкости через уплотнения вала или сальников насосов. В случае самовоспла­

меняющихся компонентов топлива утечки могут привести к пожару и взрыву двигателя и снаряда. Если применяют компоненты топли­

ва с высокими коррозионными свойствами, то весьма жесткие тре­ бования предъявляются к материалу и конструкции уплотнений насосов.

Конструктивные меры против просачивания жидкости в насосе могут быть различными у разных конструкций существующих ТНА.

Для насосов рекомендуются уплотнения сильфонного типа. Для облегчения работы узлов уплотнения вход жидкости в насосы сле­ дует делать со стороны привода насосов.

При проектировании турбин двигателей необходимо обращать внимание на критическое число оборотов, осевые и радиальные на­ грузки на подшипники и на напряжения во вращающихся частях.

Так как насосы двигателей обычно не устанавливаются жестко на

тяжелом основании, а имеют упругую подвеску и располагаются вблизи такого мощного источника вибраций, как ЖРД, то эти ви­ брации могут серьезно влиять на работу насосов (например, вызы­ вать поломку вала или местное трение между вращающимися и

неподвижными частями).

В случай высокого давления в камере сгорания двигателя (свы­ ше 40 ата) напор жидкости, создаваемый одноступенчатым насо­ сом, может оказаться недостаточным или невыгодным. Поэтому для

создания больших напоров компонентов топлива потребуются двух- и трехступенчатые центробежные насосы.

При проектировании и конструировании топливных насосов для ЖРД нужно всемерно стремиться повысить их общий к. п. д. Основ­ ными методами повышения к. п. д. центробежных насосов ТНА дви­ гателя могут являться:

1)увеличение числа оборотов насосов разделением каждого насоса на две ступени: а) ступень подкачки с малым числом обо­ ротов, подобранным исходя из условий кавитации, и малым подпо­ ром, подобранным исходя из условий работы основной ступени, и

б) применение ступени с повышенным числом оборотов, что соот­

ветствует применению конструктивной схемы ТНА с редуктором;

2)увеличение числа ступеней насоса при постоянном числе оборотов;

3)увеличение подпора жидкости на входе в насос;

4)повышение антикавитационных качеств насоса (установка

подкачивающего винтового насоса перед основным насосом, ис­ пользование энергии перекачивающей жидкости для эжекции, пе-

реразмерный вход в колесо и т. п.).

Применяя один из этих способов или их комбинации, можно увеличить коэффициент быстроходности насоса и, следовательно, общий к. п. д. насоса.

§ 12. Арматура, трубопроводы и другие элементы системы топливоподачи ЖРД

При разработке конструкции ЖРД весьма важно выбрать для системы топливоподачи необходимую арматуру, приборы и другие элементы, обеспечивающие запуск, нормальную работу и остановку двигателя.

К таким элементам систем топливоподачи ЖРД одноразового действия относятся:

1)отсечные клапаны с автоматическим приводом;

2)разрывные мембраны свободного или принудительного раз­ рыва (посредством пиропатрона);

3)реле постоянства давления;

4)обратные клапаны;

5)редукторы давления сжатого газа;

6)дроссельные шайбы;

7)дренажные клапаны;

8)заправочные и сливные пробки или заменяющие их запор­ ные вентили;

9)топливозаборные внутрибаковые устройства;

10)предохранительные клапаны;

11)трубопроводы, сильфоны и др.

Выбор элементов системы топливоподачи, их числа и конструк­ ции в большой мере зависит от назначения и тяги двигателя и дру­ гих факторов. Во всех случаях нужно стремиться к тому, чтобы для увеличения безопасности и надежности работы системы топли­ воподачи число ее механических устройств, таких, как клапаны, ре­ ле и трубопроводы, было сведено к минимуму.

Отсечные клапаны (ОК) служат для регулирования расхода компонентов топлива в камеру сгорания, обычно имеют автомати­

572 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

ческий привод и работают так же, как запорные. Открывая или закрывая эти клапаны, можно управлять подачей компонентов топлива и газа (запустить и остановить двигатель).

Поскольку через отсечные клапаны протекают большие коли­ чества жидкости под высоким давлением, то для привода их в дей­ ствие требуются значительные усилия. Усилие, необходимое для закрытия и открытия отсечных клапанов ЖРД, обычно создается

электромагнитом или сервопоршнем (пневматическим или гидрав­

лическим), нагруженным управляющим давлением. Из-за боль­ шого расхода электрического тока отсечные клапаны с электромаг­

нитным приводом применяются только для трубопроводов малых

диаметров. Для трубопроводов больших диаметров наиболее це­ лесообразны клапаны с сервопоршнем. При этом двигатель может развивать полную тягу приблизительно через 1,5 сек. и остановить­ ся (нулевая тяга) примерно через 0,5 сек. с момента подачи клапа­ ну соответствующего импульса.

Основными элементами отсечного клапана любой конструкции

являются седло, непосредственно клапан, перекрывающий трубо­ провод, и привод этого клапана.

При конструировании отсечных клапанов особое внимание дол­ жно быть уделено его безотказному действию. Этого достигают различной конструкцией клапанов, обеспечивающей плотную по­ садку без утечки, использованием нержавеющей стали для гнезд, тела клапанов, пружин и других деталей, чтобы предупредить отказ в работе клапана из-за коррозии.

По положению клапана относительно седла до начала и во вре­ мя работы двигателя конструкции отсечных клапанов делятся на следующие типы:

1)нормально закрытые, т. е. закрывающиеся при отсутствии электрического тока в цепи и открывающиеся при подаче тока;

2)нормально закрытые с дренажем, т. е. с отверстием, страв­

ливающим давление из линии за клапаном при снятии электротока;

3)нормально открытые, т. е. открытые при отсутствии электро­ тока в цепи и закрывающиеся при подаче электротока;

4)исполнительные с сервопоршнем гидравлическим или пнев­ матическим, нормально закрытые, т. е. закрытые при отсутствии давления на сервопоршень и открывающиеся при подаче давления;

5)исполнительные с сервопоршнем, нормально закрытые.

Конструктивное выполнение и принципы работы существующих

отсечных клапанов, как и других элементов систем топливоподачи ЖРД, подробно описаны в существующей литературе'.

При проектировании систем топливоподачи ЖРД следует иметь

в виду, что хотя отсечные клапаны конструктивно просты, однако