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
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 c— Fcp0.
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 |
-в |
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