Файл: Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 30.10.2024

Просмотров: 59

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

характерна тем, что подача компонентов топлива в камеру сгора­ ния осуществляется под воздействием газа, поступающего в топ­ ливные баки под давлением. При запуске двигателя открыва­ ются клапаны 5 и компоненты топлива вытесняются из баков 3 и 4 в двигатель 6 сжатым газом, поступающим из аккумулятора давления 1 через редукционный клапан 2. Аккумуляторы давле: ния могут быть различных конструкций. Простейшим аккуму­ лятором давления является баллон шаровой формы, в котором находится сжатый до высокого давления (250—300 дан/см2) воз­ дух или другой газ (рис. 9.4, а).

В момент запуска двигатёля открывается клапан 3, сжатый газ,из баллона 1, пройдя редукционный клапан 2, поступает в баки и вытесняет компоненты топлива в двигатель. Редукцион­ ный клапан 2 обеспечивает постоянное давление газа в топлив­ ных баках и равномерную подачу топлива в двигатель. Через кла­ пан 4 производится заполнение баллона сжатым газом. Баллон­ ный аккумулятор давления имеет большие габариты и вес по сравнению с пороховым аккумулятором давления. Пороховой аккумулятор давления (рис. 9.4, б) состоит из камеры 1, в кото­ рой размещен заряд 2 медленно горящего пороха и воспламени­ тель. На трубопроводах 4, идущих к топливным бакам, установ­ лены тонкие металлические мембраны 3. В момент запуска дви­ гателя с помощью воспламенителя зажигается пороховой заряд. Когда давление газов, образующихся при горении пороха, до­ стигнет расчетного значения, прорываются мембраны. Пороховые

105

газы поступают в баки и вытесняют компоненты топлива в двигатель. Пороховой заряд подбирается таким образом, чтобы поддерживалось необходимое давление в топливных баках при работе двигателя. Топливные баки снабжаются предохранитель­ ными клапанами, которые предотвращают разрушение баков при чрезмерном повышении давления газа. Пороховые аккумуляторы давления по сравнению с жидкостными аккумуляторами давле­ ния имеют несколько лучшие весовые и габаритные показатели.

Жидкостный аккумулятор

давления

(рис. 9.4, в)

состоит

из воздушного аккумулятора давления 1,

редукционного кла­

пана 2, небольших баков

с окислителем 3

и горючим 4,

клапа­

нов 5 и камеры сгорания

6. Принцип действия

жидкостного ак­

кумулятора давления подобен

жидкостному

ракетному двига­

телю с вытеснительной системой подачи топлива. Образующиеся в камере сгорания аккумулятора давления продукты сгорания поступают в топливные баки и вытесняют топливо в камеру сго­ рания двигателя. При вытеснительной системе питания топлив­ ные баки находятся под высоким давлением. В связи с этим ис­ пользуются толстостенные конструкции, что ухудшает весовые показатели системы. Вытеснительная система подачи топлива применяется обычно для двигателей, развивающих относительно небольшую тягу.

Насосная система питания (рис. 9.5) характерна тем, что ком­ поненты топлива подаются из баков 1 и 2 в камеру сгорания 7 двигателя при помощи насосов 3 и 4. При запуске двигателя от­ крываются клапаны 9 и вступает в действие устройство 8, из ко­ торого газ под небольшим давлением поступает в топливные баки и вытесняет окислитель и горючее в насосы. Насосы горю­ чего и окислителя приводятся в действие газовой турбиной 5. Насосы и газовая турбина образуют единый агрегат, который на­ зывается турбонасосным (ТНА). В качестве рабочего тела для турбины используется пар или газ, которые вырабатываются

вгазогенераторе 6. Возможны различные виды газогенераторов,

втом числе работающие на высококонцентрированной перекиси водорода, а также на компонентах топлива двигателя.

Перекисный газогенератор на твердом катализаторе (рис. 9.6, а) состоит из бака 1, в котором находится высококон­ центрированная (80—82%) перекись водорода НгСЬ, реактора 2, содержащего пористое вещество, пропитанное катализатором (КМпО/і или NaMnCU), баллона 3 со сжатым воздухом, редук­ тора 4 и клапана 5. При открытии клапана 5 перекись водорода вытесняется воздухом в реактор. В реакторе перекись водорода в присутствии катализатора разлагается с выделением количе­

ства тепла q 2НгОг----- ^НгО + Ог+^. Смесь паров

воды и кис­

лорода (парогаз), имея температуру около 500° С,

направляется

на газовую турбину. Один из возможных вариантов газогенера­

106


тора, работающего на компонентах топлива двигателя, показан на рис. 9.6, б. Газ для турбины турбонасосного агрегата получа­ ется при сжигании компонентов топлива двигателя в специаль­ ной камере сгорания 1. В эту камеру топливо подается от основ­ ных магистралей 2 и 3 системы питания двигателя. Продукты сгорания, образовавшиеся в камере 1, направляются на газовую турбину 5 турбонасосного агрегата. Сжигание топлива в ка­ мере 1 протекает при соответствующем избытке одного из компо-

 

из 5оков

 

 

н

\ТНД

I '

к

 

.1

 

 

/3

 

 

 

Ктурбине

к двигателю

 

 

 

а)

5)

Рис.

9.5.

Принципиаль­

Рис. 9.6. Принципиальные схемы газо­

ная

схема

насосной си­

 

генераторов.

 

стемы

питания.

 

 

центов топлива. Поэтому температура продуктов горения оказы­ вается ниже предельно допустимой для материалов лопаток турбины турбонасосного агрегата. Регулирование соотношения компонентов, поступающих в камеру сгорания 1, осуществляется клапаном 4.

Насосная система питания двигателя более сложна, чем вы­ теснительная система. Однако для двигателей большой тяги она более приемлема, так как баки не находятся под высоким давле­ нием, а следовательно, имеют меньший вес.

§ 3. Тяга двигателя

Тяга ЖРД

/ >=OTTcc+ F c(pc—/?0),

(9.2)

107


где /пт — расход рабочего тела (топлива); сс — скорость истече­ ния газа из сопла; Fс — площадь выходного сечения сопла; рс — давление на срезе сопла; ро— давление окружающей среды; или

P = m 1cc-\-Fcp cFcp0.

Так как расход газа

т = і Щ = Р с - щ - с с,

а относительная скорость истечения газа из сопла

 

и

 

cc= M cV~kRTc,

 

то

 

или

 

P = F C-Щ- p l { \ + k M t ) - FcPo,

 

Рк

 

где р* — давление в камере сгорания.

 

Fc.

поэтому

При неизменной геометрии сопла f = —=— =const,

* кр

 

- Рс - = const и Мс= const и

 

Ри

 

P=Ap*K —Fcp о,

(9.3)

где А = Р0-Ц -(1+ Ш *С).

Рк

Таким образом, тяга ЖРД зависит от давления р* в камере

сгорания и от давления ро окружающей среды. Удельная тяга

Руд

р_

= А

Fz Ж

 

тт

 

пц

или

 

 

 

 

 

*

Fc Рк Ро

УД"

 

Рк

 

тх

Рк

 

 

 

Удельная тяга в пустоте

р '__ А

Р*

(9.4)

ГуЛ, „ — Л

 

108

V


постоянна, так .как давление р* в камере сгорания пропорционально расходу /пт топлива. Таким образом,

р

= р

Ра

(9.5)

I

уд--- ‘ •уд. п

*

Рк

где B = FCB-—. тт-

§ 4. Характеристики двигателя

При рассмотрении характеристик считают, что коэффициент избытка окислителя постоянен, а расход энергии на работу си­ стемы питания пренебрежительно мал.

Рис. 9.7. Дроссельная

(расходная)

Рис. 9.8. Высотная характеристика

характеристика

Ж РД.

Ж РД.

1. Дроссельная (расходная) характеристика (рис. 9.7) отра­ жает зависимость тяги и удельной тяги от расхода тТ топлива или давления р*. в камере сгорания при неизменной высоте по­

лета. Формулы (9.3) и (9.5) показывают, что в.пустоте (при ро= = 0) тяга Рп в зависимости от р* изменяется по закону прямой

линии, а удельная тяга Руд. п постоянна; на некоторой высоте Н тяга Рн двигателя отличается от тяги в пустоте Рп на величину ДсРо, а удельная тяга Руд. и изменяется от давления р* по гипер­

боле.

2. Высотная характеристика (рис. 9.8) выражает зависимость тяги и удельной тяги от высоты Н полета при постоянном рас­ ходе тТ топлива или постоянном давлении р* в камере сгора­

ния. Из уравнений (9.3) и (9.5) следует, что при безотрывном течении газа в сопле с увеличением высоты полета Я, т. е. с уменьшением атмосферного давления, тяга Рп и удельная тяга

109


Руд. н возрастают. Более высокий прирост тяги имеет место до высоты 15—20 км, после чего темп прироста тяги и удельной тяги снижается. В пустоте тяга Рп и удельная тяга Руд. п посто­ янны.

§ 5. Управление двигателем

Система управления двигателем позволяет поддерживать требуемый режим работы. Режим работы двигателя при прочих одинаковых условиях зависит от соотношения компонентов топ­ лива, т. е. от отношения масс т0„ окислителя и тг горючего, вво­ димых в единицу времени в камеру сгорания,

* = ^ = ™ < ь

М

где а — коэффициент избытка окислителя;

щ — стехиометриче­

ские соотношения компонентов топлива.

должны подаваться

Очевидно, компоненты данного топлива

в камеру сгорания в таком соотношении, при котором удельная тяга двигателя будет максимальной (рис. 9.9).

Отклонение соотношения компонентов от расчетного обуслов­ ливает, во-первых, снижениеудельной тяги, во-вторых, появле­ ние в баках остатка одного из компонентов топлива после оста­ новки двигателя и, в-третьих, сокращение времени работы двига­ теля. В результате этого конечная скорость ракеты будет отли­ чаться от заданной.

Расчетное соотношение компонентов топлива при различных режимах работы двигателя поддерживается при помощи си­ стемы автоматического регулирования.

Система регулирования соотношения компонентов топлива может быть основана на изменении расхода окислителя и горю­ чего в линиях подачи топлива в двигатель (рис. 9.10) либо на измерении уровня компонентов в топливных баках, что пригодно

только для

вертикальной

траектории полета,

ракеты.

Сигналы

от измерителей 1 и 2 расхода компонентов

топлива

вводятся

в регулятор

I, в котором

они сопоставляются. РІтоговый сигнал

сравнивается с сигналом Х°, отвечающим необходимому значе­

нию соотношения компонентов. При несоответствии появляется сигнал рассогласования. Этот сигнал усиливается и подается на сервомотор. Сервомотор в соответствии со знаком и величиной сигнала воздействует на регулирующий орган — дроссельный кран 3, который изменяет расход одного из компонентов топлива и обеспечивает получение заданного соотношения. Аналогичная система может быть использована и для регулирования соотно­ шения компонентов топлива газогенератора. В регулятор II (рис. 9.10) поступают сигналы от измерителей расхода окисли­ теля 4 и горючего 5. Регулирующим органом системы служит дроссельный край 6.

ПО