Системи подачі і наддуву в ракетах з рідинними ракетними двигунами

Насосні системи подачі.

Подача палива з баків в камеру двигуна з необхідною секундною витратою під необхідним тиском здійснюється системами подачі двигуна, які розділяються на дві групи: насосні і витіснювальні.

До систем подачі будь-якого типа пред'являють наступні основні вимоги:

простота, компактність і мала маса конструкції;

рівномірність подачі робочих компонентів і легкість управління двигуном;

висока економічність і надійність роботи;

дешевина виготовлення і зручність експлуатації.

Насосні системи подачі доцільно застосовувати для двигунів з порівняно великою тягою і великим часом роботи, витіснювальні – для двигунів з часом роботи не більше 15 – 30 сек, тобто двигунів малої і середньої тяги.

Розглянемо детальніше основні схеми кожної з цих систем.

Основним агрегатом насосної системи подачі компонентів є турбонасосний агрегат (TНA). Головні його елементи – насоси, що подають компоненти під необхідним тиском при необхідній витраті, і турбіна, яка служить приводом насосів.

ТНА можуть мати різні компонувальні схеми.

Найбільш поширена співісна схема, в якій насоси і турбіна розташовуються на одному валу.

Насоси. У системах подачі РРД знайшли застосування відцентрові і осьові (шнекові) насоси. Основнимиперевагами, що визначили застосування цих видів насосів, є:

– забезпечення високого тиску подачі і продуктивності при малих розмірах і масі;

– можливість роботи з великою частотою обертання при зручному з'єднанні з валом приводу (звичайно з турбіною).

Схема відцентрового насоса приведена на мал. 4.22.

При обертанні робочого колеса рідина під дією відцентрових сил відкидається на периферію. Робота, що витрачається на обертання робочого колеса, переходить в спіральній камері в тиск.

Осьові насоси застосовуються як допоміжні, так звані переднасоси, що встановлюються на вході перед відцентровими насосами і служать для запобігання кавітаціям. Робочим колесом насоса є шнек (мал. 4.23) – осьова лопаточна решітка, що складаються з двох-трьох лопаток.

Для оцінки насоса найбільш важливими характеристиками є продуктивність, напір, корисна потужність, частота обертання (число обертів).

Під продуктивністю розуміють кількість рідини, що подається насосом в 1 сек. Розрізняють об'ємну Q (у м³/сек) і масову G_H (у кг/сек) продуктивності, які зв'язані співвідношенням

де – -щільність компоненту, кг/м³.

Напором називають приріст механічної енергії кожного кілограма рідини, що проходить через колесо. Величина напору визначається необхідним тиском подачі р_под з якого потрібно відняти тиск рідини на вході в насос р_вх. Отже, перепад тиску, що створюється насосом, визначаеться по формулі

Звичайно напір, що створюється насосом, виражається в метрах стовпа рідини, що подається, і позначається через Н:

Корисна потужність насоса визначається роботою, яку здійснює насос, піднімаючи рідину G_H на висоту Н.

Ця потужність тим більше, чим більше секундна витрата рідини і чим вище потрібний тиск рідини за насосом, тобто ніж вище необхідний напір. Величина потужності визначається по формулі

Потрібна мощность Nнп, що витрачається турбіною на привід насоса, буде більше корисної потужності, оскільки перетворення енергії в насосах відбувається з втратами. Це враховується коефіцієнтом корисної дії :

Повний коефіцієнт корисної дії насоса рівний добутку трьох ККД – об'ємного, гідравлічного і механічного, які характеризують втрати в насосі, тобто

Об'ємний визначає кількість рідини, що перетікає з порожнини високого тиску в порожнину низького тиску, і витоків рідини з порожнини високого тиску через ущільнення. Величина його залежить від конструкції насоса і тиску подачі і складає 0,9 – 0,95.

Гідравлічним ККД оцінюються втрати на тертя рідини в каналах робочого колеса, втрати тиску у пристроях відвідних і тих що підводять рідину. Його величина 0,7 – 0,9.

Механічний ККД враховує втрати потужності на тертя у вузлах ущільнення, в підшипниках, втрати в унаслідок тертя зовнішньої поверхні колеса об рідину. Величина його 0.85-0,98.

Повний ККД насосів сучасних ЖРД складає 0,5 – 0,85.

Для сучасних насосів частота обертання складає 5000 – 20000 об/хв і більш. Підвищення частоти обертання сприятливо позначається на конструкції насоса. Чим вища частота обертання, тим менші його габарити, а отже, і маса. Крім того, підвищення частоти обертання приводить до поліпшення умов роботи турбіни (збільшується її ККД і зменшуються розміри). Проте значне збільшення частоти обертання обмежується виникненням кавітації.

Кавітація – порушення суцільностірідини з утворенням розривів (бульбашок, каверн), заповнених парами цієї рідини, що виникає в результаті місцевого статичного тиску. Процес появи кавітації такий. Статичний тиск в потоці рідини відповідно до рівняння Бернуллі

При високих швидкостях руху потоку w статичний тиск р може стати менше тиску p_s насиченої пари. В цьому випадку виникне кавітація. Якщо бульбашок дуже багато, то пара, що утворилася, займе весь прохідний перетин і розхід рідини припиниться — відбудеться зрив насоса. Якщо кавітація невелика, то бульбашки пари, рухаючись по каналу колеса, потраплять в область високого тиску, де пара конденсується. При цьому об'єм бульбашок миттєво зменшиться, відбудеться гідравлічний удар. Такі удари приводять до ерозійного руйнування металу. Основними заходами боротьби з кавітацією є підвищення тиску на вході в насос (наддув баків) і установка перед робочим колесом переднасоса, що володіє вищими антикавітацийними властивостями.

Турбіни є приводом паливних насосів. За принципом роботи вони можуть бути активними і реактивними. У активній турбіні перетворення енергії відбувається тільки в соплах, а в реактивній – в соплах і на лопатках робочого колеса.

У РРД звичайно застосовують активні турбіни, оскільки вони конструктивно простіше і мають меншу масу на одиницю потужності.

Розглянемо схему і особливості робочого процесу одноступінчатої активної турбіни (мал. 4.24).

Газ підходить до сопел, маючи тиск р_о і температуру Tо. В соплі газ розширюється, при цьому його швидкість зростає від с _о до с_і тобто відбувається перетворення потенційної енергії в кінетичну. З такою швидкістю газ поступає| на лопатки робочого колеса, що має окружну швидкість u.

Газ в міжлопатковому каналі суттєво змінює напрям руху: якщо швидкість с₁ направлена під кутом до площини робочого колеса, то швидкість виходу газу с₂ складає з тією ж площиною кут що відрізняється від майже на 90°. Швидкість с₂ менше швидкості с ₁.

Таким чином, в міжлопатковому каналі міняється кількість руху газу, що свідчить про силову взаємодію його з лопатками. Фізично ця взаємодія виявляється в тому, що на увігнутій (омиваної потоком) поверхні лопатки тиск газу більше, ніж на протилежній. Окружне зусилля, що діє в площині ротора, створює момент щодо осі валу і примушує ротор обертатися, здійснюючи роботу. Швидкість витікання газу з сопла повинна бути приблизно в два рази більше окружної швидкості на лопатках ротора.

Коефіцієнт корисної дії для одноступінчатої активної турбіни знаходиться в межах 0,5 – 0,7.

З'єднання турбіни з паливними насосами може здійснюватися або шляхом посадки на один вал, або за допомогою передачі, редуктора. Розташування турбіни щодо насосів може бути центральним або одностороннім.

Газогенератори. Для приводу турбіни головним чином застосовуються газогенератори на рідкому паливі, які по числу компонентів, використовуваних для отримання робочого тіла, розділяються на одно-, двух- і трьохкомпонентні.

Головна особливість і відмінність цих газогенераторів від камери двигуна полягає в тому, що вони працюють при «зміщеному» (більше або менше оптимального) коефіцієнті надлишку окислювача. Це викликається необхідністю отримання газу з температурою, прийнятною для робочих органів урбіни (порядку 1000 – 1300°К).

За способом організації процесу отримання робочого тіла розрізняють газогенератори з одноступінчатим і двоступінчатим підведенням компонентів палива (мал. 4.25).

При одноступінчатому підведенні все паливо подається через головку і в камері відбувається згорання при необхідному співвідношенні компонентів. Такий тип газогенератора застосовують для легкозаймистих палив і тих що легко випаровуються, для запалення і горіння яких не вимагається великої кількості тепла і високої температури.

При двоступінчатому підведенні пальне подається в камеру частково через головку з коефіцієнтом надлишку окислювача =0,4 – 0,6 і частково через спеціальні форсунки (периферійний пояс). На виході з камери загальний коефіцієнт надлишку окислювача газу 0,15 – 0,20.

У трьохкомпонентних газогенераторах пальне і окислювач подаються в співвідношеннях, близьких до оптимального = 0,5 – 0,8. Пониження температури газу досягається введенням в камеру третього компоненту (звичайно води).

Витіснювальні системи подачі.

Розрізняють три види витіснювальних систем (мал. 3.6): газобалонні і системи з пороховим і рідинним аккумуляторами* тиск.

*Примітка. Акумулятор тиску і газогенератор є однозначними термінами, що визначають один я той же агрегат. Термін «акумулятор тиску» застосовується в тих випадках, коли газ використовується для витіснення палива. Термін «газогенератор» застосовується до джерел газу, що служить робочим тілом для турбіни.

Газобалонна система подачі.

Як робоче тіло в цих системах можуть бути використані повітря, азот, гелій і інші гази. Вибір газу залежить від природи компонентів палива, температури, розчинності в них газу і від інших чинників. Найчастіше застосовують повітря як дешевший з газів, завжди наявний в достатній кількості. Азот застосовується в тих випадках, коли компоненти палива можуть мати хімічну взаємодію з повітрям і порушувати нормальні умови подачі. Гелій застосовується при витісненні зріджених компонентів, що знаходяться при таких низьких температурах, при яких повітря і азот конденсуються і розчиняються в холодній рідині. Перевага гелію перед іншими газами полягає в тому, що він має меншу молекулярну вагу, а отже, за однакових умов і меншу щільність.

Необхідним елементом газобалонної системи подачі є редуктор тиску, який забезпечує постійний тиск газу в паливних баках і, отже, рівномірну подачу палива в камеру двигуна. Це необхідно для незмінного режиму роботи рухової установки.

Газобалонна система подачі застосовується на ЖРД для стартових ракет, прискорювачів, на експериментальних установках і як допоміжна в інших системах подачі.

Система подачі з пороховим акумулятором тиску (ПАТ).

Ця система на відміну від газобалонної має менші габарити і масу. Джерелом робочого тіла, що виробляється в пороховому акумуляторі тиску, є заряд твердого палива (пороху).

Залежно від характеру витікання газів порохові акумулятори підрозділяються на надкритичні і докритичні (мал. 4.26).

У надкритичні ПАТ гази проходять через сопло, що дроселює, в докритичному – сопла немає. Надкритичні ПАТ володіє достатньою стійкістю і здатний працювати без регулюючих пристроїв.

Докритичний ПАТ працює при тиску в камері згорання, що трохи перевищує потрібний тиск подачі. Завдяки цьому докритичні ПАТ значно легше за надкритичних, що і зумовило застосування їх в системах подачі РРД.

Система подачі з рідинним аккумулятором тиску.

Звичайно РАД працюють на самозаймистих компонентах. Для забезпечення необхідної температури газу (порядку 800 – 900°) на виході з газогенератора вдаються до баластування продуктів згорання одним з компонентів палива. Іншими словами, процес горіння палива в РАД протікає при таких значеннях коефіцієнта надлишку окислювача, при яких забезпечується задана температура газу на виході з газогенератора.

При цьому газогенератор бака окислювача працює з надлишком окислювача, а газогенератор бака горючого – з надлишком пального.

РАД володіє тією перевагою в порівнянні з ПАТ, що може забезпечити стабільніший тиск в паливних баках, отже, і стабільнішу роботу двигуна. Це пояснюється незалежністю режиму РАД від температури навколишнього повітря і тим, що РАД є саморегульованим акумулятором тиску. Витрата компонентів палива залежить від перепаду тиску між бачками з компонентами газогенерації і основними паливними баками, а отже, зміна тиску в паливних баках автоматично викликатиме зміну витрати компонентів газогенерации.