Файл: Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей.pdf

окислителя и горючего и газовую турбину, приводящую их во вращение.

Рабочее тело, необходимое для газовой турбины, вырабаты­ вается в газогенераторе. Ж РД с турбонасосной системой подачи различаются по типу используемого газогенератора — одно­ компонентного или двухкомпонентного.

По способу использования отработанного газа после турби­ ны двигатели делятся на Ж РД с дожиганием и Ж РД без дожи­ гания генераторного газа после турбины. Двигатели без дожи­ гания, иногда называемые двигателями с выбросом генераторно­ го газа после турбины, менее экономичны, так как при выбросе генераторного газа в атмосферу неизбежны дополнительные по­ тери из-за его невысоких энергетических характеристик (темпе­ ратура, давление).

В схему любого двигателя с турбонасосной системой подачи, кроме основных элементов — камеры сгорания, ТНА, газогене­ ратора и соединяющих их трубопроводов, входят также элемен­ ты систем автоматики и регулирования. Эти элементы обеспе­ чивают заправку ракеты компонентами, нормальный запуск и останов двигателя (клапаны, запальные устройства), поддер­ живают или изменяют по заданному закону режим работы дви­ гателя (регуляторы, дроссели) *.

Остановимся на особенностях различных типов газогенера­ торов.

Воднокомпонентный газогенератор подается вещество, спо­ собное разлагаться в присутствии твердого или жидкого ката­ лизатора с выделением газообразных продуктов, обладающих достаточно высокой температурой.

Вкачестве топлива однокомпонентных газогенераторов (на­

зываемого также унитарным топливом) можно использовать [5] концентрированную перекись водорода, гидразин, несиммет­ ричный диметилгидразин (НДМГ) и др.

Схема двигателя с однокомпонентным газогенератором зави­

зывается дополнительным, третьим компонентом для двига­ теля.

На рис. 1.3 приведена схема двигателя с ТНА 2 и одноком­ понентным газогенератором 4, работающим на дополнительном компоненте, подаваемом из бака 13 с помощью ВАД 8. Анало­ гичная схема, но с насосной системой подачи дополнительного компонента в газогенератор, представлена на рис. 1.4.

Твердый катализатор размещается внутри газогенератора 3, жидкий компонент (унитарное топливо) попадает на катализа­ тор через форсунки в распыленном виде.

* Приводимые ниже схемы двигателей не включают некоторых из этих элементов.

8

9

При баллонной подаче унитарного топлива система оказы­ вается относительно простой, не требующей дополнительных средств для организации запуска двигателя. В случае насосной подачи унитарного топлива в газогенератор усложняются схема двигателя и конструкция турбонасосного агрегата. Общий недо­ статок системы с газогенератором на унитарном топливе (если это топливо не используется в камере сгорания) — наличие до­ полнительного компонента. Кроме того, газ, получаемый из уни­ тарного топлива, имеет обычно постоянную и недостаточно высо­ кую температуру.

Рис. 1.5. Зависимость температуры продуктов сгорания от коэффициентов избытка окислителя

Схема двигателя с однокомпонентным газогенератором, ра­ ботающим на том же компоненте, что и камера сгорания, незна­ чительно отличается от схемы двигателя с двухкомпонентным газогенератором.

Материалы, из которых изготовлены элементы турбины, не допускают использование газа с высокой температурой.

На рис. 1.5 изображена типичная кривая зависимости темпе­ ратуры продуктов сгорания Т от коэффициента избытка окис­ лителя а. Температура понижается как в области малых значе­

а, так и область больших а.

Двухкомпонентный газогенератор, работающий с избытком

Для обеспечения более надежной работы двухкомпонентного газогенератора в некоторых случаях [5] компонент, поступаю­ щий в избытке, подается в камеру газогенератора в два приема* через две зоны (рис. 1.6): частично через головку и в зону Г ' вместе с другим компонентом; оставшаяся часть балластирую­

* По химическим свойствам генераторного газа.

10

щего компонента — в зону II (на некотором расстоянии от го­ ловки) .

Генераторный газ с избытком горючего имеет обычно боль­ шее значение газовой постоянной R, чем газ с избытком окисли­ теля. Кроме того, обладая восстановительными свойствами, ге­ нераторный газ с избытком горючего не является агрессивной средой по отношению к эле­ ментам конструкции турбины, и в случае его использования (дожигания) можно иметь бо­ лее высокую температѵоу, чем при дожигании газа с избытком окислителя, обладающего кор­ розионно-агрессивными свойст­ вами.

номичней использовать генера­ торный газ с избытком горюче­ го, поскольку он допускает меньшие расходы и тем самым сокращает общие потери, свя­ занные с выбросом [15].

Для Ж РД с дожиганием ге­ нераторного газа существенно увеличивается его расход [43].

Так как возможный максимальный расход генераторного газа с избытком окислителя в 2—3 раза больше, чем возможный рас­ ход газа с избытком горючего, в Ж РД с дожиганием лучше применять газогенератор с избытком окислителя.

11

1.1.3. Ж РД с дожиганием генераторного газа после турбины в камере сгорания

Нз рис. 1.8, 1.9 и 1.10 приведены возможные варианты схем Ж РД с дожиганием генераторного газа: два варианта схем ти­

При использовании газогенератора с избытком горючего (см. рис. 1.8) весь расход его в двигателе подается в газогенера­

* Такая терминология основывается на типе смесительных элементов на головке камеры сгорания. В схеме «газ — жидкость» один компонент подается в газообразном виде, другой — в жидком; в схеме «газ — газ» оба компонента подаются в камеру сгорания газифицированными.

тор 3 вместе с количеством окислителя, существенно меньшим стехиометрического. После турбины газ по магистрали (газово­ ду) направляется к головке камеры сгорания, к которой одно­ временно подводится и остальное необходимое количество жидкого окислителя.

При газогенераторе с избытком окислителя (см. рис. 1.9) в газогенератор 4 подается весь расход окислителя в двигателе и небольшое количество горючего, а в камеру сгорания — остав­ шаяся часть расхода горючего и газифицированный окислитель.

Так как газифицированный компонент попадает после тур­ бины в камеру сгорания, то для обеспечения необходимой мощ­ ности турбины давление в газогенераторе должно быть выше, чем в камере сгорания. Поэтому потребная мощность насосов, а значит, и всего ТНА, оказывается для двигателей с дожигани­ ем существенно выше, чем для двигателя такой же тяги, но вы­ полненного по схеме без дожигания.

Если один из компонентов является унитарным топливом, т. е. может разлагаться с образованием газообразных продук­ тов сгорания, схема двигателя с дожиганием несколько упро­ щается — вместо двухкомпонентного газогенератора в этом слу­ чае используется однокомпонентный, в который подается один из компонентов, а другой компонент в жидком виде целиком подается в камеру сгорания.

Достижимое давление в камере сгорания для двигателя с дожиганием типа «газ — жидкость» ограничивается допустимым значением температуры газа перед турбиной и невозможностью увеличить его расход [15]. Некоторое преимущество с этой точ­

чего. При этом благодаря увеличению суммарного расхода ра­ бочего тела ТНА увеличивается достижимое давление в камере сгорания, а при заданном давлении в камере сгорания умень­ шаются потребные значения давления в газогенераторах и соот­ ветственно уменьшаются потребные напоры насосов.

Для двигателей, работающих на низкокипящих компонентах (жидкий водород, кислород и т. д.), возможна схема с исполь­ зованием в качестве испарительного генератора зарубашечной полости камеры сгорания, куда компонент поступает из насоса ТНА, здесь за счет тепла, поступающего через стенки камеры сгорания, испаряется *, а затем подается на турбину. После тур­ бины газифицированный компонент, так же как и во всех других вариантах схемы с дожиганием, подается к головке камеры сгорания [15]. Так как количество тепла, которое можно полу-

* Вернее, переходит в газовое состояние, так как в зарубашечном простран­ стве давление в большинстве случаев должно быть выше критического.

13