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

ру сгорания относительно его оптимального значения ухуд­

шаются:

1)процессы распыла и смешения компонентов топлива из-за изменения нормального перепада давления компонентов в форсун­ ках;

2)качество рабочего процесса в камере двигателя вследствие

уменьшения в ней давления газов, ухудшения качества распыла

инесоответствия объема камеры сгорания и размеров сопла изме­ нившемуся секундному расходу топлива;

3)условия охлаждения камеры двигателя регенеративным спо­ собом, особенно в тех случаях, когда один из компонентов топлива служит охлаждающей жидкостью; это может привести к перегреву

идаже прогару внутренней оболочки камеры вследствие уменьше­ ния количества топлива в связи с понижением тяги и ухудшения

при этом условий теплообмена с оболочкой не соответственно изме­ нившемуся тепловому режиму работы двигателя.

Кроме того, с уменьшением расхода топлива в камеру сгорания в ней снижается давление и поэтому увеличивается степень диссо­ циации продуктов сгорания, что в общем снижает удельную тягу двигателя и нарушает устойчивость его работы.

Это указывает на то, что способ регулирования тяги двигателя дросселированием может оказаться целесообразным только в срав­ нительно узких пределах.

Потеря удельной тяги ДРуд при дросселировании расхода топли­ ва в камеру двигателя зависит от высоты полета и глубины дрос­ селирования. С подъемом в высоту потеря АРуД уменьшается и в пу­ стоте теоретически равна нулю. Можно считать, что пятикратное уменьшение тяги камеры двигателя за счет дросселирования на уровне моря сопровождается понижением удельной тяги почти на

20% и потерей ее приблизительно на 8% от номинального зна­ чения.

Уменьшение потери удельной тяги, обусловленной уменьшением перепада давлений в форсунках в связи с дросселированием расхо­ да топлива, возможно регулированием тяги путем применения упо­ мянутых выше поворотных золотников или групповой системы фор­ сунок. При этих способах регулирования невыключенная часть форсунок работает при расчетных (оптимальных) перепадах давле­ ния. Однако такое регулирование тяги также связано с неизбеж­ ным ухудшением условий охлаждения камеры двигателя по изло­ женным выше причинам. Кроме того, выключение из работы части

форсунок не обеспечит равномерное распределение компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания, что ухудшит сгорание топлива в относительно большом объеме камеры и вызо­ вет оплавление неработающей части форсунок вследствие притока

к ним газов высокой температуры, а также некоторую асимметрию тяги камеры двигателя.

Качественный распыл компонентов топлива при регулировании

тяги двигателя дросселированием расхода топлива возможен при использовании форсунок с сопловым регулированием. Однако та­ кие форсунки конструктивно сложны.

Многокамерные двигатели допускают ступенчатое регулирова­

ние тяги выключением или включением отдельных камер для рабо­ ты на оптимальном режиме без снижения экономичности двигателя.

Однако многокамерные (блочные) двигатели имеют сравнительно сложную систему топливоподачи в связи с необходимостью синхро­ низации тяги отдельных камер и большие габариты. При изменении секундного расхода топлива в камеру сгорания двигателей, рабо­ тающих с переменной тягой, давление газов в камере должно быть

постоянным; значительное снижение его величины приведет к ухуд­ шению рабочего процесса в камере сгорания, к возникновению не­ устойчивого режима сгорания топлива ц другим отрицательным

последствиям.

Следовательно, регулирование тяги ЖРД путем дросселирова­ ния секундного расхода топлива связано с понижением экономич­ ности работы двигателя, нарушением нормальных условий охлаж­ дения камеры и возникновением неустойчивой работы.

Нижний предел снижения тяги двигателя при дросселировании расхода топлива практически может быть установлен или безопас­

но допустимым нагревом данной охлаждающей жидкости в тракте камеры или возникновением скачка уплотнения газов в сопле, что может иметь место при отношении давлений газов на выходе из сопла и атмосферного воздуха около рв/Ра^0,4.

Приведенное отношение давлений показывает, что практически возможная глубина дросселирования двигателя по этому парамет­ ру для изменения тяги у земли и на малых высотах меньше, чем

на больших высотах. Можно считать, что при понижении тяги и дав­ ления газов в камере сгорания двигателя на 80% температура

охлаждающей жидкости может повыситься почти на 50%.

Если охлаждающая жидкость допускает только незначительное повышение температуры или требуется весьма глубокое дроссели­ рование камеры двигателя для снижения тяги, то может оказаться необходимым изменение состава топлива для уменьшения темпера­ туры продуктов сгорания топлива при весьма малых тягах, приме­ нение пленочной защиты оболочки камеры от перегрева и др.

Регулирование тяги двигателя ниже 10% от ее номинального значения практически осуществить невозможно из-за неустойчиво­ го горения топлива в камере сгорания, чрезмерного повышения

температуры охлаждающей жидкости и резкого снижения удельной

тяги. В некоторых существующих типах авиационных ЖРД, рабо­ тающих на азотной кислоте и керосине, тяга регулируется в преде­

лах 30—100%. Несколько более широкие пределы регулирования

тяги (12—100%) возможны для двигателей, работающих на само­ воспламеняющихся компонентах топлива (табл. 4. 1 ).

Таблица 4.1

Пределы регулирования тяг и некоторых существующих ЖРД

Хороший запуск и плавное регулирование тяги двигателя в ши­ роких пределах могут быть обеспечены только при сохранении необ­ ходимого соотношения компонентов топлива. Это относится также

ксоставу топлива, используемого для работы газогенератора. При невыполнении этого условия может иметь место чрезмерно высокая

температура в камере газогенератора или неравномерность сгора­ ния и даже прекращение реакции.

При проектировании любой системы регулирования двигателя необходимо учитывать требования к системе при режимах запуска,

нормальной работы и в момент отсечки. В общем случае желатель­ но очень точное регулирование всех трех режимов работы двига­ теля; однако возможности конструктора в этом отношении ограни­

чены соображениями практического порядка.

Это обстоятельство приводит к появлению новых проблем, в ча­ стности, обеспечения одинаковых характеристик насосов, и к услож­ нению системы регулирования (наличию нескольких цепей обрат­ ной связи). Применение блока однокамерных двигателей приводит

кдальнейшему усложнению системы в результате появления не­ скольких цепей регулирования.

Поскольку ЖРД с регулируемой тягой по определенному зако­ ну конструктивно очень сложны, то-применение их в ряде случаев оказывается нецелесообразным. На этом основании тяга большин­ ства выполненных современных снарядов не регулируется. В двига­ телях дальнобойных снарядов регулирование тяги может осущест­

вляться в виде одной ступени при запуске и за несколько секунд до остановки двигателя, что вызывается необходимостью обеспе­ чить надежный запуск и остановку двигателя согласно заданной программе.

§ 10. Расходные характеристики двигателя

Расходными или дроссельными характеристиками ЖРД назы­ ваются зависимости абсолютной Р и удельной РуД тяг двигателя при определенных значениях высоты и скорости полета от давле­ ния в камере сгорания ps, т. е.

Р и Руд=/(рк),

или от факторов, определяющих величину этого давления, как то:

секундного расхода топлива в камеру сгорания С3; давления по­ дачи компонентов топлива в камеру сгорания рп; числа оборотов п турбонасосного агрегата, если он входит в систему топливоподачи двигателя, и др.

При помощи расходных характеристик обычно устанавливается наивыгоднейший режим работы двигателя в эксплуатационных условиях и выявляются целесообразность и пределы регулирова­

ния тяги изменением секундного расхода топлива в камеру сгора­

ния.

Расходные характеристики ЖРД по давлению газов в камере сгорания могут быть построены по данным земных испытаний дви­ гателя на стенде и аналитического расчета для земных или произ­ вольных значений высоты и скорости полета.

Расходные характеристики с работающего двигателя на испы­ тательном стенде обычно снимаются при неизменном весовом соот­ ношении компонентов топлива. Выполнение этого условия при пе­ ременных режимах работы двигателя практически весьма затруд­ нено. Расходные характеристики могут также сниматься для опре­

деления удельной тяги двигателя при разных весовых соотноше­ ниях компонентов топлива.

Рассчитать расходные характеристики двигателя практически можно только приближенно, так как нельзя точно оценить умень­ шение коэффициента тепловыделения топлива <рк и изменение по­ казателя политропы п расширения газов в сопле в связи с измене­ нием секундного расхода топлива в камеру сгорания Gs относи­ тельно его расчетного номинального значения G3p. При расчетах расходных характеристик приходится принимать значения <рЕ и п постоянными и равными их значениям при работе двигателя на оптимальном режиме.

Без учета изменения <рк и п по расходной характеристике дви­ гателя имеют место соотношения:

106 Гл. 4. Режимы работы ЖРД

откуда CS=GSB-^- кг/сек-,

Рк.р

откуда Дрс.п= Лл.п.р(тг-')2 = АЛ.п.р (—Y.

где Дрс.„.р и Д/7СЛ] —суммарный перепад давления топлива в вытес­ нительной системе подачи двигателя при работе камеры соответственно на расчетном

инерасчетном режимах работы в кг}см2.

Сучетом этих соотношений общему уравнению тяги камеры двигателя можно придать вид

этой главы.