Компоновочные схемы тна. Экспериментальная отработка насосов и турбины ТНА. Установки и стенды для испытаний ТНА Турбонасосный агрегат жрд принцип работы

Diadia_Sidor >да ну её (политику) к чёрту. я тебе лучше, что нить из жизни ТНА расскажу

varban >давай. это интересно и достойно

Спрашивай, тна люблю, он же и в ярде имеет место быть

О насосах - шнекоцентробежные у всех применяются или это местный коллорит?

У всех причём сначала были посто центробежные, потом стали ставить шнек перед насосом, а потом с развитием технологии они слились в единое целое. но всё таки до сих пор наиболее популярно шнек отдельно, колесо отдельно

А я на заводе проектировал шнекоцентробежный насос для... горячей воды. На одном колесе

Ещё сильно зависит от того чего качать
одно дело набрать необходимый напор на воде и другое на водороде, там не только шнекоцентробежным не обойдёшся, там здоровенное колесо нужно, да не одна ступень

Кстати, в ТНА центробежные насосы без конкуренции? я других не встречал

И не встретишь

А турбины? Там аксиальные больше? И ступеней сколько?

Турбины используются разные, осевые одно и двухступенчатые, на вонючих моторах - радиальные на открытых схемах делают парциальные турбины

А вот это не встречалось - какие такие парциальные?

Наверняка встечались. в парциальной турбине газ подводится в не по всей площади входа в решётку турбины, а в каком-то секторе

А зачем? так не используется полностью колесо

При открытой схеме, расход на турбине не очень большой и если его размазывать по всему входу, получаются слишком короткие лопатки, при этом резко валится кпд турбины. а потери на парциальность вполне терпимы

Припоминал у меня был чертеж ТНА какого то РД-350 (или ошибаюсь), там такая примерно история, турбина одноступенчатая и с подводом газов в окно

Это обычное дело фау-2 рд-107/108

У V-2 на перекиси турбина крутится?

Ага там сопловой аппарат смешной, несколько наклонных сопел выпиленных вручную

Сопловой аппарат турбины?

А подшипники? поди оборотов на 20000 даже у фау

На следующий день:

varban >приветствую!

Diadia_Sidor >и Вас!

А чё это мы вдруг на Вы? или ты к моей компьютерной отарой обращаешся?

А штош я, к хорошему человеку на Вы обратиться не могу?

Можеш, можеш;) давай возобновим интервью по тна, но сначала и более систематически

С удовольствием, только паузы у меня могут быть побольше, работы подвалило, да и свалить я сегодня планирую по раньше

И у меня могут быть паузы - комп один дохнет
В свете несуществуюшей главы в развитие РД ТНА должно быть особое место - не будь ТНА (чисто гипотонический случай;) и ЖРД бы проиграли соревнование с РДТТ. Именно ТНА позволил создать ЖРД, гораздо легче, чем аналогичные по тяги/импульсу РДТТ.

Не аналогичные, а превосходящие

Да, превосходящие Кстати, интересный экскурс в прошлое:
отчего Цандер упорно разрабатывал устройство питания РДТТ зарядами. Ведь не дурак же! Только таким образом можно приблизить РДТТ к насосным ЖРД. Ведь принципиальное преимущество ЖРД с ТНА перед РДТТ - то, что камера ЖРД в сотни и тысячи раз меньше, чем баки (или камера РДТТ - тот же бак). Сделай устройство питания РДТТ шашками, и это позволит уменьшить камеру (совсем другое дело, что этот мотор будет сочетать не столько преимущества ЖРД и РДТТ, сколько недостатков)

Шуки шутками, но в НИИТП работали над РДТТ с непрерывной системой подачи, подробностей не спрашивай - не знаю, да и что знал - забыл

И я слышал такое - но я тоже не буду углубляться. Чисто по этическим причинам - разработка не окончена. Я разработчику все это высказывал, да и он понимает вроде. Кстати, он не шашку в камеру подает, а надвигает камеру на шашку - камера-то меньше!

Здорово, давай к насосам

Как все это началось? Не будем про идеи - их было довольно. Кого бы ты поставил первым ТНА-щиком из реальных конструкторов?

А тут и думать нечего первый нормальный тна - фау-2 у нас у Душкина были интересные разработки, даже испытывались, а как стендовые до сих пор работают, но они НИКОГДА НЕ ЛЕТАЛИ, а фау ЛЕТАЛА

И у главных соперников все от V-2 пошло - и у амов, и у вас?

Примечание: Не думай только, что я скатываюсь до примитивного уровня журналюг - я-то хорошо себе представляю и советский, и американский вклад в ракетную технику - он так велик, что признание влияния V-2 никак не может его уменьшить - будет просто несправедливо его не упомянуть.

Точно так оно и есть. Более того, принципиально, с тех пор в ТНА ничего не изменилось. Конечно, поменялись технологии, появились другие компоненты, но в ТНА А.4 уже всё было

А можно такое утверждать - у других (у амов, русских, французов) не было ТНА, потому что оно было им не нужно? Ведь они делали некрупные ракеты, тоесть работали в области, где вытеснительная подача компонентов не сильно или вообще не проигрывает насосной.

Тут спорно, тот же Душкин делал ТНА для самолётного мотора (Би-1, И-301) штука небольшая, но с ТНА совершенно другие характеристики. с другой стороны, настоящих ракет не делали, и без насосов прекрасно обходились

Тогда наоборот - А-4 не могла появиться без ТНА - попробуй сделай прочные баки таких размеров.
примечание: Хотя баки были вставными, а не несущими - факт, и пожалуй, ошибка. Еще тогда могли бы сделать баки несущими, во всяком случае, одно из первых улучшении А-4 в Союзе - именно это.

Это связано
не может быть большой ракеты без ТНА, так же как и ТНА не нужен сам по себе, он нужен для большой ракеты

А успехи Германии в ТНА не связаны с ее работами над ТРД - ведь в одно время появились турбореактивные самолеты и турбонасосные ракеты?

Естественно, это говорит об уровне технологий, и технологий лопаточных машин, в частности, в Германии в то время Крупнейший газодинамик того времени - Теодор фон Карман, работал там, а по нему до сих пор учатся

Давай для полноты перечисли фирмы Германии, которые делали ЖРД с ТНА. Насколько я знаю, делались они тогда (и сегодня) на одной и той же фирме.

Серийно ТНА для фау выпускался на Фау-шных серийных заводах, точную кооперацию надо дома смотреть, но к разработке были подключены и специалисты BMW и Jumo, наверняка

Конечно, производители/разработчики и первых ТРД.
Но вернемся к ТНА двигателя А-4. У него все было - на одном валу сидели турбина и два насоса - спиртовый и кислородный. Турбина парциальная (как вчера выяснили), работала по открытой схемой, на перекиси водорода, который разлагался в газогенераторе (кстати, заметна связь с торпедами немецкого флота - пробовали перекись и там).
Как ты сказал - принципиально в этом ТНА все было.
А ТНА первых "космических" моторов - 107/108 чем отличались от ТНА А-4?

Конструктивно, мало чем другие материалы использовались, более технологичные. изменилась компоновка на консольное закрепление турбины, соттветственно появились уплотнения между насосами компонентов, колёса стали лить а не фрезеровать, за турбиной поставили теплообменник для газификации азота, баки наддувать. шнеки, по-моему ещё не появились

Консольное закрепление турбины: в смысле подшипники были между кислородным и керосиновым насосами и между керосиновым насосом и турбины?
Газификация какого азота?
И шнекоцентробежная ступень была у кислородного насоса.

Про кислородный насос - правда, нет у меня картинки перед глазами и у фау и у 107/108 всего два подшипника
у фау на валу: подшипник, насос, турбина, насос, подшипник
у 107/108: подшипник, насос, насос, подшипник, турбина
газифицируется азот, которы используется для наддува баков

Ясно об азоте.
Примечание (есно, не тебе) Напоминаю, что наддувом достигают много чего:
-баки становятся жестче - хорошо будут сопротивляться аэродинамическим нагрузкам;
-зверюга-насос, не будь наддув, сомнет бак, как пустую сигаретную пачку
-самое, на мой взглядь, главное - обеспечивает подпор на первую ступень насоса и тем самым способствует бескавитационной работы агрегатины
Еще есть соображения о полезности наддува?

Всё изложил
поучительная вещь у первых атласов был очень тонкие стальные баки, так их наддували прям на фабрике, иначе ракета складывалась под собственной тяжестью, даже не заправленная

Так и российские аналогично - когда возили баки Энергии на Мясищеве, приходилось наддувать.
Теперь давай об остросюжетном - о кавитационном срыве ТНА поговорим

Эко тебя занесло,
ну поехали
но ещё одну историйку. моя жинка не сразу в институт поступила и год работала машинисткой на ЖРД-иной кафеде. Подсунул ей как-то некто Козлов (крупнейший специалист по баковым процессам) статейку перепечатать. И жинка, удивившись редкой неграмотности профессора, переправила во всём тексте наддув на наДув баков.

))
А кавитационный срыв имел место в реальных испытаниях?
Примечание: Если центробежный насос вращается (а)синхронным электродвигателем, кавитационный срыв не так страшен. Другое дело, если двигатель имеет характеристики турбины - у нее при падение нагрузки обороты растут пропорционально. И кавитационный срыв может привести к разносу агрегата.

Именно так всё и происходит, но есть ещё одно неприятное явление, приводящее к полному кирдыку. когда на входе в насос появляется кавитационная каверна, и её несёт к выходу, под действием увеличенного давления она схлопывается, если схлопывание происходит в потоке, то и чёрт бы с ним, а вот если на стенке, происходит явление, анологичное подрыву кумулятивного заряда. несколрко таких схлопываний и стенке - 3.1415926здец!

И в завершение надо сказать, что кавитационный срыв настолько быстротечен, что автоматика управление турбины не отследит увеличение оборотов. Самое лучшее - отсечет ТНА и двигатель, есно. А поскольку пускаться в полете маршевые ЖРД еще не умеют, даже вонючки, в лучшем случае - невыведение. В худшем - разрушение ТНА и пожар на борту (как раз под бакам с компонентами) Кстати, любая авария в ТНА к тому приводит

Если развивается кавитационный срыв - кирдык, однозначно

А на стендах чем ЖРД питают? Если штатный ТНА еще не отработан?

Вытесниловкой, естественно, обычно азотом

Так и думал С первыми советскими космическими ТНА разобрались. А у конкурентов? Слышал, что аварийные запуски амов в начале космической гонки в основном из-за неотработанности ДУ были. После несколько неудач Брауна главным назначили, а до того был бардак.

Да тут тоже история весёлая. что касается боевых ракет (Редстоун, Тор, Атлас) они не фантазировали и честно использовали немецкие разработки (Браун с самого начала командовал строительством Редстоуна), а в космос они хотели на маленьком Авангарде уехать, который только для этого и строился. Вот там они намудрили. ТНА сделали с зубчатой передачей. А в космос, всё равно Редстоун первым улетел

Вот-вот! Слышал я о таком, еще шуточки были типа:
На амовской ракете отказал ГТЗА (главный турбозубчатый агрегат - непременная принадлежность турбинных кораблей) - наверное уголь для котлов был некачествен. Такими сведениями разноображал у нас лекции по баллистики Кулагин;)
А ты знаеш, почему амы пошли по пути ТЗА? Чайники с ламерами делали? Или зубки сломали во время разработки дайрект-драйва?

Логика в этом есть. у окислителя и горючего разная плотность соответственно максимальное кпд каждого колеса будет достигнуто на разных оборотах, вот их и понесло
а кстати, мотор RL-10, первый в мире водородник, летает до сих пор со своим турбозубчатым агрегатом

Э, у водорода с кислородом плотности значительно разные - 0.011 и 1.6. Так что есть логика - насос для водорода - прямоприводный, а для кислорода - снизили обороты. Кстати, оттуда и раздельные ТНА на ССМЕ?
А у керосинки Авангарда плотности раза в два всего отличается, с учетом соотношения - самое то будет, только колёса насосов - разного диаметра. Все равно непонятно. Надо в инете ссылки на Авангард нарыть и разобраться, хотя м.б. и не стоит. Авангард потомства-то не дал.

Диаметр, конечно, разный, но при увеличении диаметра, уменьшается проходное сечение на выходе (высота лопатки) и кпд резко валится, вобщем вместо поиска компромиса америкосы решили понаставить зубастых колёс, а зря
про ССМЕ, кроме этого ещё есть причина их разделения если произойдёт утечка по валу и компоненты где-нить встретится, можно смело гасить свет,
а у нас эту проблему решили и построили, конструктивно, более простой мотор

Правильно, конструирование - всегда компромис
>если произойдёт утечка по валу и компоненты где-нить встретится, можно смело гасить свет
Конечно, произойдет типичный внутрикамерный процесс;)
А те тем ли диктовалась компоновка ТНА А-4 - там турбина - посередке?

Про А.4 - нет, компоненты не самовоспламеняющиеся, просто - это наиболее простая (надёжная) компоновка, а вот если кислород с водородом или НДМГ с АТ на валу сойдутся, тогда веселуха и начнётся

Резюме пока:
Первый период - фау и фау-подобные,
второй - начальный космический - усовершенствование компоновки, применение лучших материалов, разработки теории ТНА и сведения ее до инженерного уровня (пока все открытой схемы)
а третий - высококипящая отрава или все-таки водородники?
И где же революция по пути от фау до ССМЕ/РД-0120 произошла?

Я склоняюсь в сторону постепенной эволюции
принципиальное отличие вонючих замкнутых ТНА от предыдущих - турбина большого расхода
на водородных ТНА появились многоступенчатые насосы, соответственно проблемма компенсаций осевых усилий
не стал бы я делить их по поколениям

А бывало, что на серийных моторов меняли ТНА?

Нет - мотор и ТНА, это единое целое

Ясно, если переделаеш ТНА, то камеру - пара пустяков?
И слегка оф-топик А чем объясняется поразительное долголетие РД-107/108? Ведь первый космический, буржуйские ровестники давно в музеях только!
Я сбегаю поем, а то горе-журналисту жрать охота! Ты пиши

О камере - не сказал бы я, что это пара пустяков, ведь всё работает на пределе возможного, двигатель - единое целое
а 107/108 задачу свою выполняет, технология отработна до офонарения, да и Бог с ним

С камерой вопрос был несколько провокационным;),
но это - отдельная тема трёпа
Давай затронем и самый секс - замкнутые схемы
Принципиальное отличие - топливо для турбины потом дожигается в камере.
Разобрались с кислыми и сладкими газами.
А вот как ТНА изменился по сравнение с ТНА открытой схемы?

Тна изменился в лучшую сторону.
расход газа увеличился,
появилась возможность завязать с парциальными турбинами (поднять КПД),
делать нормальновысокие лопатки (поднять кпд)
турбина стала, однозначно консольной,
а отводить газ от радиальной турбины в камеру, просто удовольствие

Однако что-то и стало сложнее - давление в открытых турбинах меньше, чем в камере, а значит и в насосах - тоесть надо бороться с утечкой жидкого компонента
К турбине, уплотнение - ХОЛОДНОЕ. У ТНА замкнутой схемы наоборот?

Давление не на много больше. в основном на перепад на турбине, а перепад, на таких турбинах меньше чем в открытой схеме, расхода то хватает. утечки вызывают проблему, не потому что давление выше (оно выше незначительно) а потому, что компоненты ещё те

Да, я сообразил еще вот что:
Давление в центробежном-то насосе на периферии большое. А по центру рабочего колеса оно меньше - у меня на заводе бывали случаи подсоса воздуха или что страшнее - воды - в конц. азотку.
А у амовских ССМЕ еще и турбопреднасосы стоят. Кой такой за животный?

Рассказываю про ссме-шные бустера (преднасосы, помогают бороться с кавитацией в главных насосах) по конструкции аналогичны. из магистрали высокого давлени отбирается мало-мало расхода и пускается на гидротурбинку, коея и крутит малонапорное шнеко-центробежное колесо, а отработаный маленький расход большого давления, просто попадает в основной поток
на многих двигателях эжекторы такие же на входе ставили и ставят

Да, а как в советской практике? Я практически ни одного движка с турбопреднасосом не знаю - все шнекоцентробежная первая ступень, а далее - центробежки

120-й мотор
170/180-й с нормальными бустерами
и хренова куча вонючих моторов с эжекторными бустерами

А что, у вонючках эжекторами выгоднее? Непонятно

Проще, ни одной подвижной части

И кпд ниже

Для бустера это не важно, у него задача организовать хоть какой нить напор на входе в основное колесо

Да, точно. И любимые мною шнеки кпд не отличаются. Зато работают ничего даже в режиме развитой кавитации.
Подробности о ТНА SSME:
Насос жидкого окислителя имеет производительность 400 kg/s, а ТНА водорода - исключително высокое соотношение мощи к массе - 16.2 kW/kg.
Мощность ТНА - 56 MW, все это вместе с насосом имеет массу всего в 345 kg!
Я балдею от этих цифр.
К сожалению, у меня нет данных о ТНА 0120 и 170 -там должно быть еще хлеще!

Точно
по энергонапряжённости 170-й не имеет равных

Потому разделили ТНА?

У 170 - там же бустеры есть - считай еще пару ТНА

А понял
бустера имеет смысл отделять, так как это совсем другой агрегат, давления низкие, обороты низкие, простая конструкция

И я к тому же. А если будеш оптимизировать насосы, то сподручнее не думать о всяких там прилад типа шнека - есть подпор и все тут.

И отрабатывать проще

Я уже в файл записам переговоры.
Пока готовлю, расскажи что-нибудь поучительное в качестве концовки и пошлю с Зевсом.

Видел, как горят на стенде ТНА
просто вспыхивает огненный шар и через пару секунд остаётся оплавленный вал с ошмётками всего остального на нём

Нда...холодок пробежал по спине
хотя поучительно - значит все ажурное и легкое, вал только массивный
А нарочно сожгли или нештатно сработал?

Нарочно, искали причину серии аварий

Подробнее можно? А то об участиях в аварийных комиссиях не всегда можно распространяться.

Да это всё на стендах рвалось, так что ничего страшного

Нет, я о серию аварии говорю

Вот на стендах серия и была

Теперь-то ясно

Ладно, пошлю, но в отдельном топике - ТНА-трёп.

На возможность использования жидкостей, в том числе жидких водорода и кислорода, в качестве топлива для ракет указывал К. Э. Циолковский в статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» , опубликованной в 1903 году . Первый работающий экспериментальный ЖРД построил американский изобретатель Роберт Годдард в 1926 г. Аналогичные разработки в 1931-1933 гг. проводились в СССР группой энтузиастов под руководством Ф. А. Цандера . Эти работы были продолжены в организованном в 1933 г. РНИИ, но в 1938 г. тематика ЖРД в нём была закрыта, а ведущие конструкторы С. П. Королёв и В. П. Глушко были репрессированы, как «вредители».

Наибольших успехов в разработке ЖРД в первой половине XX в. добились немецкие конструкторы Вальтер Тиль , Гельмут Вальтер , Вернер фон Браун и др. В ходе Второй мировой войны они создали целый ряд ЖРД для ракет военного назначения: баллистической Фау-2 , зенитных Вассерфаль , Шметтерлинг , Райнтохтер R3. В Третьем рейхе к 1944 г. фактически была создана новая отрасль индустрии - ракетостроение, под общим руководством В. Дорнбергера , в то время, как в других странах разработки ЖРД находились в экспериментальной стадии.

По окончании войны разработки немецких конструкторов подтолкнули исследования в области ракетостроения в СССР и в США, куда эмигрировали многие немецкие учёные и инженеры, в том числе В. фон Браун. Начавшаяся гонка вооружений и соперничество СССР и США за лидерство в освоении космоса явились мощными стимуляторами разработок ЖРД.

В 1957 г. в СССР под руководством С. П. Королёва была создана МБР Р-7 , оснащённая ЖРД РД-107 и РД-108 , на тот момент самими мощными и совершенными в мире, разработанными под руководством В. П. Глушко . Эта ракета была использована, как носитель первых в мире Искусственных спутников земли , первых пилотируемых космических аппаратов и межпланетных зондов.

В 1969 г. в США был запущен первый космический корабль серии Аполлон , выведенный на траекторию полёта к Луне ракетой-носителем Сатурн-5 , первая ступень которой была оснащена 5-ю двигателями F-1 . F-1 по настоящее время является самым мощным среди однокамерных ЖРД, уступая по тяге четырёхкамерному двигателю РД-170 , разработанному КБ «Энергомаш » в Советском Союзе в 1976 г.

В настоящее время космические программы всех стран базируются на использовании ЖРД.

Сфера использования, преимущества и недостатки

Каторгин, Борис Иванович, академик РАН, бывший руководитель НПО "Энергомаш"

Устройство и принцип действия двукомпонентного ЖРД

Рис. 1 Схема двукомпонентного ЖРД
1 - магистраль окислителя
2 - магистраль горючего
3 - насос окислителя
4 - насос горючего
5 - турбина
6 - газогенератор
7 - клапан газогенератора (окислитель)
8 - клапан газогенератора (горючее)
9 - главный клапан окислителя
10 - главный клапан горючего
11 - выхлоп турбины
12 - смесительная головка
13 - камера сгорания
14 - сопло

Существует довольно большое разнообразие схем устройства ЖРД, при единстве главного принципа их действия. Рассмотрим устройство и принцип действия ЖРД на примере двукомпонентного двигателя с насосной подачей топлива, как наиболее распространённого, схема которого стала классической. Другие типы ЖРД (за исключением трёхкомпонентного) являются упрощенными вариантами рассматриваемого, и при их описании достаточно будет указать упрощения.

На рис. 1 схематически представлено устройство ЖРД.

Топливная система

Топливная система ЖРД включает в себя все элементы, служащие для подачи топлива в камеру сгорания - топливные баки, трубопроводы, турбонасосный агрегат (ТНА) - узел, состоящий из насосов и турбины, смонтированных на едином валу, форсуночная головка, и клапаны, регулирующие подачу топлива.

Насосная подача топлива позволяет создать в камере двигателя высокое давление, от десятков атмосфер до 250 ат (ЖРД 11Д520 РН «Зенит»). Высокое давление обеспечивает большую степень расширения рабочего тела, что является предпосылкой для достижения высокого значения удельного импульса . Кроме того, при большом давлении в камере сгорания достигается лучшее значение тяговооружённости двигателя - отношения величины тяги к весу двигателя. Чем больше значение этого показателя, тем меньше размеры и масса двигателя (при той же величине тяги), и тем выше степень его совершенства. Преимущества насосной системы особенно сказываются в ЖРД с большой тягой - например, в двигательных установках ракет-носителей.

На рис.1 отработанные газы из турбины ТНА поступают через форсуночную головку в камеру сгорания вместе с компонентами топлива (11). Такой двигатель называется двигателем с замкнутым циклом (иначе - с закрытым циклом), при котором весь расход топлива, включая используемое в приводе ТНА, проходит через камеру сгорания ЖРД. Давление на выходе турбины в таком двигателе, очевидно, должно быть выше, чем в камере сгорания ЖРД, а на входе в газогенератор (6), питающий турбину, - ещё выше. Чтобы удовлетворить этим требованиям, для привода турбины используются те же компоненты топлива (под высоким давлением), на которых работает сам ЖРД (с иным соотношением компонентов, как правило, - с избытком горючего , чтобы снизить тепловую нагрузку на турбину).

Альтернативой замкнутому циклу является открытый цикл , при котором выхлоп турбины производится прямо в окружающую среду через отводной патрубок. Реализация открытого цикла технически проще, поскольку работа турбины не связана с работой камеры ЖРД, и в этом случае ТНА вообще может иметь свою независимую топливную систему, что упрощает процедуру запуска всей двигательной установки. Но системы с замкнутым циклом имеют несколько лучшие значения удельного импульса , и это заставляет конструкторов преодолевать технические трудности их реализации, особенно для больших двигателей ракет-носителей, к которым предъявляются особо высокие требования по этому показателю.

В схеме на рис. 1 один ТНА нагнетает оба компонента, что допустимо в случаях, когда компоненты имеют соизмеримые плотности. Для большинства жидкостей, используемых в качестве компонентов ракетного топлива, плотность колеблется в диапазоне 1 ± 0,5 г/см³, что позволяет использовать один турбопривод для обоих насосов. Исключение составляет жидкий водород, который при температуре 20°К имеет плотность 0,071 г/см³. Для такой лёгкой жидкости требуется насос с совершенно другими характеристиками, в том числе, с гораздо большей скоростью вращения. Поэтому, в случае использования водорода в качестве горючего , для каждого компонента предусматривается независимый ТНА.

При небольшой тяге двигателя (и, следовательно, небольшом расходе топлива) турбонасосный агрегат становится слишком «тяжеловесным» элементом, ухудшающим весовые характеристики двигательной установки. Альтернативой насосной топливной системе служит вытеснительная , при которой поступление топлива в камеру сгорания обеспечивается давленнием наддува в топливных баках, создаваемое сжатым газом, чаще всего азотом, который негорюч, неядовит, не является окислителем и сравнительно дёшев в производстве. Для наддува баков с жидким водородом употребляется гелий, так как другие газы при температуре жидкого водорода конденсируются и превращаются в жидкости.

При рассмотрении функционирования двигателя с вытеснительной системой подачи топлива из схемы на рис. 1 исключается ТНА, а компоненты топлива поступают из баков прямо на главные клапаны ЖРД (9) и (10). Давление в топливных баках при вытеснительной подаче должно быть выше, чем в камере сгорания, баки - прочнее (и тяжелее), чем в случае насосной топливной системы. На практике давление в камере сгорания двигателя с вытеснительной подачей топлива ограничивается величинами 10 - 15 ат. Обычно такие двигатели имеют сравнительно небольшую тягу (в пределах 10 т). Преимуществами вытеснительной системы является простота конструкции и скорость реакции двигателя на команду пуска, особенно, в случае использования самовоспламеняющихся компонентов топлива. Такие двигатели служат для выполнения маневров космических аппаратов в космическом пространстве. Вытеснительная система была применена во всех трёх двигательных установках лунного корабля Аполлон - служебной (тяга 9 760 кГс), посадочной (тяга 4 760 кГс), и взлётной (тяга 1 950 кГс).

Форсуночная головка - узел, в котором смонтированы форсунки , предназначенные для впрыска компонентов топлива в камеру сгорания. Главное требование, предъявляемое к форсункам - максимально быстрое и тщательное перемешивание компонентов при поступлении в камеру, потому что от этого зависит скорость их воспламенения и сгорания.
Через Форсуночную головку двигателя F-1 (англ.) , например, в камеру сгорания ежесекундно поступает 1,8 т жидкого кислорода и 0,9 т керосина. И время нахождения каждой порции этого топлива и продуктов его сгорания в камере исчисляется миллисекундами . За это время топливо должно сгореть насколько возможно полнее, так как несгоревшее топливо - это потеря тяги и удельного импульса . Решение этой проблемы достигается рядом мер:

• Максимальное увеличение числа форсунок в головке, с пропорциональной минимизацией расхода через одну форсунку. (В форсуночной головке двигателя устанавливается 2600 форсунок для кислорода и 3700 форсунок для керосина).
• Специальная геометрия расположения форсунок в головке и порядок чередования форсунок горючего и окислителя .
• Специальная форма канала форсунки, благодаря которой при движении по каналу жидкости сообщается вращение, и при поступлении в камеру она разбрасывается в стороны центробежной силой .

Система охлаждения

Ввиду стремительности процессов, происходящих в камере сгорания ЖРД, лишь ничтожная часть (доли процента) всей теплоты, вырабатываемой в камере, передаётся конструкции двигателя, однако, ввиду высокой температуры горения (иногда - свыше 3000°К), и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя, поэтому проблема охлаждения ЖРД весьма актуальна.

Для ЖРД с насосной подачей топлива в основном применяются два метода охлаждения стенок камеры ЖРД: регенеративное охлаждение и пристенный слой , которые часто используются совместно. Для небольших двигателей с вытеснительной топливной системой часто применяется абляционный метод охлаждения.

Регенеративное охлаждение состоит в том, что в стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой, части сопла тем или иным способом создается полость (иногда называемая «рубашкой охлаждения»), через которую перед поступлением в смесительную головку проходит один из компонентов топлива (обычно - горючее), охлаждая, таким образом, стенку камеры. Тепло, поглощённое охлаждающим компонентом, возвращается в камеру вместе с самим теплоносителем, что и оправдывает название системы - «регенеративная».

Разработаны разные технологические приёмы для создания рубашки охлаждения. Камера ЖРД ракеты Фау-2 , например, состояла из двух стальных оболочек, внутренней и внешней, повторявших форму друг друга. По зазору между этими оболочками проходил охлаждающий компонент (этанол). Из-за технологических отклонений толщины зазора возникали неравномерности течения жидкости, в результате создавались локальные зоны перегрева внутренней оболочки, которая часто «прогорала» в этих зонах, с катастрофическими последствиями.

В современных двигателях внутренняя часть стенки камеры изготовляется из высокотеплопроводных бронзовых сплавов. В ней создаются узкие тонкостенные каналы методом фрезерования (15Д520 РН 11К77 Зенит , РН 11К25 Энергия), или травления кислотой (SSME Space Shuttle). Снаружи эта конструкция плотно обхватывается несущей листовой оболочкой из стали или титана , которая воспринимает силовую нагрузку внутреннего давления камеры. По каналам циркулирует охлаждающий компонент. Иногда рубашка охлаждения собирается из тонких теплопроводных трубок, для герметичности пропаянных бронзовым сплавом, но такие камеры рассчитаны на более низкое давление.

Пристенный слой (пограничный слой, американцы используют также термин «curtain» - занавеска) - это газовый слой в камере сгорания, находящийся в непосредственной близости от стенки камеры, и состоящий, преимущественно, из паров горючего . Для организации такого слоя по периферии смесительной головки устанавливаются только форсунки горючего . Ввиду избытка горючего и недостатка окислителя химическая реакция горения в пристенном слое происходит гораздо менее интенсивно, чем в центральной зоне камеры. В результате температура пристенного слоя оказывается значительно ниже, чем температура в центральной зоне камеры, и он изолирует стенку камеры от непосредственного контакта с наиболее горячими продуктами горения. Иногда, в дополнение к этому, на боковых стенках камеры устанавливаются форсунки, выводящие часть горючего в камеру прямо из рубашки охлаждения, также с целью создания пристенного слоя.

Запуск ЖРД

Запуск ЖРД - ответственная операция, чреватая тяжёлыми последствиями в случае возникновения нештатных ситуаций в ходе её выполнения.

Если компоненты топлива являются самовоспламеняющимися , то есть вступающими в химическую реакцию горения при физическом контакте друг с другом (например, гептил /азотная кислота), инициация процесса горения не вызывает проблем. Но в случае, когда компоненты не являются таковыми, необходим внешний инициатор воспламенения, действие которого должно быть точно согласовано с подачей компонентов топлива в камеру сгорания. Несгоревшая топливная смесь - это взрывчатка большой разрушительной силы, и накопление её в камере грозит тяжёлой аварией.

После воспламенения топлива поддержание непрерывного процесса его горения происходит само собой: топливо, вновь поступающее в камеру сгорания воспламеняется за счёт высокой температуры, созданной при сгорании ранее введённых порций.

Для первоначального воспламенения топлива в камере сгорания при запуске ЖРД используются разные методы:

• Использование самовоспламеняющихся компонентов (как правило, на основе фосфоросодержащих пусковых горючих, самовоспламеняющихся при взаимодействии с кислородом), которые в самом начале процесса запуска двигателя вводятся в камеру через специальные, дополнительные форсунки из вспомогательной топливной системы, а после начала горения подаются основные компоненты. Наличие дополнительной топливной системы усложняет устройство двигателя, зато позволяет его неоднократный повторный запуск.
• Электрический воспламенитель, размещаемый в камере сгорания вблизи смесительной головки, который при включении создаёт электрическую дугу или серию искровых разрядов высокого напряжения. Такой воспламенитель - одноразовый. После воспламенения топлива он сгорает.
• Пиротехнический воспламенитель. Вблизи смесительной головки в камере размещается небольшая пиротехническая шашка зажигательного действия, которая поджигается электрическим запалом .

Автоматика запуска двигателя согласовывает по времени действие воспламенителя и подачу топлива.

Запуск больших ЖРД с насосной топливной системой состоит из нескольких стадий: сначала запускается и набирает обороты ТНА (этот процесс также может состоять из нескольких фаз), затем включаются главные клапаны ЖРД, как правило, в две или больше ступеней с постепенным набором тяги от ступени к ступени до нормальной.

Для относительно небольших двигателей практикуется запуск с выходом ЖРД сразу на 100 % тяги, называемый «пушечным».

Система автоматического управления ЖРД

Современный ЖРД снабжается довольно сложной автоматикой, которая должна выполнять следующие задачи:

• Безопасный пуск двигателя и вывод его на основной режим.
• Поддержание стабильного режима работы.
• Изменение тяги в соответствии с программой полёта или по команде внешних систем управления.
• Отключение двигателя по достижении ракетой заданной орбиты (траектории).
• Регулирование соотношения расхода компонентов.

Из-за технологического разброса гидравлических сопротивлений трактов горючего и окислителя соотношение расходов компонентов у реального двигателя отличается от расчётного, что влечёт за собой снижение тяги и удельного импульса по отношению к расчётным значениям. В результате ракета может так и не выполнить свою задачу, израсходовав полностью один из компонентов топлива. На заре ракетостроения с этим боролись, создавая гарантийный запас топлива (ракету заправляют большим, чем расчётное, количеством топлива, чтобы его хватило при любых отклонениях реальных условий полёта от расчётных). Гарантийный запас топлива создаётся за счёт полезного груза. В настоящее время большие ракеты оборудуются системой автоматического регулирования соотношения расхода компонентов, которая позволяет поддерживать это соотношение близким к расчётному, сократить, таким образом, гарантийный запас топлива, и соответственно увеличить массу полезной нагрузки.

Система автоматического управления двигательной установкой включает в себя датчики давления и расхода в разных точках топливной системы, а исполнительными органами её являются главные клапаны ЖРД и клапаны управления турбиной (на рис.1 - позиции 7, 8, 9 и 10).

Компоненты топлива

Выбор компонентов топлива является одним из важнейших решений при проектировании ЖРД, предопределяющий многие детали конструкции двигателя и последующие технические решения. Поэтому выбор топлива для ЖРД выполняется при всестороннем рассмотрении назначения двигателя и ракеты, на которой он устанавливается, условий их функционирования, технологии производства, хранения, транспортировки к месту старта и т. п.

Одним из важнейших показателей, характеризующих сочетание компонентов является удельный импульс , который имеет особенно важное значение при проектировании ракет-носителей космических аппаратов, так как от него в сильнейшей степени зависит соотношение массы топлива и полезного груза, а следовательно, размеры и масса всей ракеты (см. Формула Циолковского), которые при недостаточно высоком значении удельного импульса могут оказаться нереальными. В таблице 1 приведены основные характеристики некоторых сочетаний компонентов жидкого топлива.

Таблица 1.

Окислитель	Горючее	Усреднённая плотность топлива , г /см³	Температура в камере сгорания, °К	Пустотный удельный импульс, с
Кислород	Водород	0,3155	3250	428
	Керосин	1,036	3755	335
	Несимметричный диметилгидразин	0,9915	3670	344
	Гидразин	1,0715	3446	346
	Аммиак	0,8393	3070	323
Тетраоксид диазота	Керосин	1,269	3516	309
	Несимметричный диметилгидразин	1,185	3469	318
	Гидразин	1,228	3287	322
Фтор	Водород	0,621	4707	449
	Гидразин	1,314	4775	402
	Пентаборан	1,199	4807	361

Однокомпонентнымми являются и реактивные двигатели, работающие на сжатом холодном газе (например, воздухе или азоте). Такие двигатели называются газореактивными и состоят из клапана и сопла. Газореактивные двигатели применяются там, где недопустимо тепловое и химическое воздействие выхлопной струи, и где основным требованием является простота конструкции. Этим требованиям должны удовлетворять, например, индивидуальные устройства перемещения и маневрирования космонавтов (УПМК), расположенные в ранце за спиной и предназначенные для перемещения при работах вне космического корабля. УПМК работают от двух баллонов со сжатым азотом, который подается через соленоидные клапаны в двигательную установку, состоящую из 16 двигателей.

Трёхкомпонентные ЖРД

С начала 1970-х годов в СССР и США изучалась концепция трехкомпонентных двигателей, которые сочетали бы в себе высокое значение удельного импульса при использовании в качестве горючего водорода, и более высокую усреднённую плотность топлива (а, следовательно, меньший объём и вес топливных баков), характерную для углеводородного горючего. При запуске такой двигатель работал бы на кислороде и керосине, а на больших высотах переключался на использование жидких кислорода и водорода. Такой подход, возможно, позволит создать одноступенчатый космический носитель. Российским примером трехкомпонентного двигателя является ЖРД РД-701 , который был разработан для многоразовой транспортно-космической системы МАКС .

Возможно также использование двух топлив одновременно - например водород-бериллий-кислород и водород-литий-фтор (бериллий и литий горят, а водород по большей части используется как рабочее тело), что позволяет достичь значений удельного импульса в районе 550-560 секунд, однако технически очень сложно и никогда не использовалось на практике.

Управление ракетой

В жидкостных ракетах двигатели часто помимо основной функции - создания тяги, выполняют также роль органов управления полётом. Уже первая управляемая баллистическая ракета Фау-2 управлялась с помощью 4 графитных газодинамических рулей, помещённых в реактивную струю двигателя по периферии сопла. Отклоняясь, эти рули отклоняли часть реактивной струи, что изменяло направление вектора тяги двигателя, и создавало момент силы относительно центра масс ракеты, что и являлось управляющим воздействием. Этот способ заметно снижает тягу двигателя, к тому же графитные рули в реактивной струе подвержены сильной эрозии и имеют очень малый временной ресурс.
В современных системах управления ракетами используются поворотные камеры ЖРД, которые крепятся к несущим элементам корпуса ракеты с помощью шарниров, позволяющих поворачивать камеру в одной или в двух плоскостях. Компоненты топлива подводятся к камере с помощью гибких трубопроводов - сильфонов . При отклонении камеры от оси, параллельной оси ракеты, тяга камеры создаёт требуемый управляющий момент силы. Поворачиваются камеры гидравлическими или пневматическими рулевыми машинками, которые исполняют команды, вырабатываемые системой управления ракетой.
В отечественном космическом носителе Союз (см.фото в заголовке статьи) помимо 20 основных, неподвижных камер двигательной установки имеются 12 поворотных (каждая - в своей плоскости), управляющих камер меньшего размера. Рулевые камеры имеют общую топливную систему с основными двигателями.
Из 11 маршевых двигателей (всех ступеней) ракеты-носителя Сатурн-5 девять (кроме центральных 1-й и 2-й ступеней) являются поворотными, каждый - в двух плоскостях. При использовании основных двигателей в качестве управляющих рабочий диапазон поворота камеры составляет не более ±5°: ввиду большой тяги основной камеры и расположения её в кормовом отсеке, то есть на значительном расстоянии от центра масс ракеты, даже небольшое отклонение камеры создаёт значительный управляющий момент .

Помимо поворотных камер, иногда используются двигатели, служащие только для целей управления и стабилизации летательного аппарата. Две камеры с противоположно направленными соплами жёстко закрепляются на корпусе аппарата таким образом, чтобы тяга этих камер создавала момент силы вокруг одной из главных осей аппарата. Соответственно, для управления по двум другим осям также устанавливаются свои пары управляющих двигателей. Эти двигатели (как правило, однокомпонентные) включаются и выключаются по команде системы управления аппаратом, разворачивая его в требуемом направлении. Такие системы управления обычно используются для ориентации летательных аппаратов в космическом пространстве.

ТНА подразделяются на одновальные и многовальные. В одновальных ТНА турбина и насосы располагаются на одном валу. Преимуществом ТНА, выполненных по такой схеме, является простота конструкции и малый вес. В качестве недостатка необходимо отметить, что только один из насосов (как правило, насос окислителя) работает при оптимальном числе оборотов. При этом насос горючего эксплуатируется при пониженных значениях КПД.

Различают следующие компоновочные схемы ТНА, рис.57.

При трехвальной схеме ТНА числа оборотов насосов и турбины независимы друг от друга и могут выбираться из условий оптимальности работы насосов. Однако, наличие редукторов, работающих в сложных условиях (высокие значения окружной скорости, сложность обеспечения эффективной системы смазки и охлаждения), в некоторых случаях сводит к минимуму выигрыш от повышения значений КПД насосов.

Одновальные

Трёхвальная

Компоновочные схемы ТНА

Наибольшее распространение в ЖРДУ получили одновальные схемы ТНА.

5.3. Устройство центробежного насоса

В ТНА ЖРД обычно в качестве основных применяются центро­бежные насосы. Основными достоинствами, определяющими преимущественное использование этих видов насосов в ЖРД, являются:

Обеспечение высоких давлений подачи и производительности при малых габаритах и массе;

Возможность работы на агрессивных и низкокипящих компо­нентах;

Возможность работы с большим числом оборотов и удобство использования турбины для их привода.

На рис.58 показана схема одноступенчатого центробежного насоса. Жидкость по входному патрубку 1 подается на вращающееся колесо (крыльчатку) 2. В колесе насоса жидкость движется по каналу, образованному стенками колеса и лопатками 3. Усилие, действующее со стороны лопаток колеса на жидкость, заставляет ее двигаться так, что запас энергии в единице массы жидкости увеличивается. При этом происходит прирост как потенциальной энергии (статического давления), так и кинетической энергии жидкости.

Рис.58

Схема центробежного насоса:

1 - входной патрубок; 2 - колесо насоса (крыльчатка); 3 - лопатки;

4 - диффузор; 5 - лопатки диффузора; 6 - сборник или улитка; 7 - переднее уплотнение;

8 - подшипник вала; 9 - уплотнение подшипника

На выходе из колеса жидкость поступает в диффузор 4, где уменьшается ее абсолютная скорость и до­полнительно возрастает давление. Простейший диффузор состоит из гладких дисков, составляющих его стенки, и называется безлопаточным. Лопаточный диффузор имеет неподвижные лопатки 5 (на рис. 58 пока­заны пунктиром), которые способствуют более быстрому гашению ско­рости потока. Пройдя диффузор, жидкость поступает в спиральный ка­нал (улитку) 6, назначение которого состоит в том, чтобы собирать жидкость, выходящую из колеса, а также уменьшать ее скорость. По нагнетающему патрубку жидкость подается в сеть.

Чтобы уменьшить перетекание жидкости из полости высокого дав­ления (диффузора, улитки) в область низкого давления, в насосе де­лаются уплотнения 7.

Рис.59

Схемы центробежных насосов:

а-с осевым входом; б- со спиральным входом;

в -с двухсторонним входом; г -многоступенчатый насос

Центробежные насосы выполняют с осевым, спиральным и двой­ным входом, одно-и многоступенчатые. Выбор осевого или спирального входа (рис.59, а,б) определяется в первую очередь условиями компо­новки ТНА и двигательной установки. Двойной вход (рис.59, в ) выпол­няют при больших расходах для уменьшения скорости на входе и тем самым для улучшения антикавитационных свойств насоса. Многоступен­чатые насосы (рис.59, г ) применяют при необходимости получения особенно больших напоров.

Обычно корпуса насосов выполняются литьем из высокопрочных алюминиевых сплавов, а в случае высоких давлений - из стали. Количество профилированных лопаток крыльчатки составляет не более 8, а их толщина лежит в диапазоне 2 ¸ 5 мм.

5.4. Крыльчатки насосов

Различают крыльчатки, открытого и закрытого типов, рис.60 (а, б).

Открытая крыльчатка используется в насосах с малым расходом и давлением компонента. Для крыльчатки такого типа характерны значительные потери, обусловленные перетеканием компонента из области повышенного давления (на выходе из насоса) в область пониженного (на входе в насос). Крыльчатка состоит из диска 1 и выполненных на нем лопаток 2.

В закрытых крыльчатках на торцевых поверхностях лопаток устанавливается крышка 3, которая может быть выполнена за единое целое с крыльчаткой. В крыльчатках такого типа потери на перетекание компонента значительно меньше, чем в открытых крыльчатках. Обычно крыльчатки изготавливают литьем. Число профилированных лопаток, как правило не превышает 8, а их толщина менее 5мм. Крыльчатки, представленные на рис.60, относятся к крыльчаткам с односторонним подводом компонента.

Для снижения расхода компонента через лопаточный канал крыльчатки (с целью исключения возникновения процесса кавитации) используются крыльчатки с двухсторонним подводом компонента, рис.61.

Рис.60

Односторонние крыльчатки:

а- открытого типа; б – закрытого типа

Рис.61

Двухсторонняя крыльчатка

8.5. Уплотнения крыльчаток

С целью снижения перетечек жидкости в крыльчатках насосов устанавливаются уплотнения следующих типов: щелевые, лабиринтные и плавающие, рис.62 а,б,в, соответственно.

Принцип работы щелевых уплотнений основан на обеспечении высокого гидравлического сопротивления кольцевой щели между графитовым вкладышем, установленным в корпусе насоса, и проточкой, выполненной во входном сечении диска. Конструкция данного уплотнения допускает до 15% перетечек от объема перекачиваемой жидкости, в то время как лабиринтное, рис.62 б, и плавающее (набор фторопластовых и алюминиевых шайб, установленных во входном сечении крыльчатки), рис.62 в, - до 10 % и 5 %, соответственно.

Рис.62

Уплотнения крыльчаток:

а – щелевое; б – лабиринтное; в - плавающее

5.5. Турбина ТНА

Одним из основных элементов ТНА является газовая турбина. В турбине потенциальная энергия продуктов сгорания из газогенератора или паров охладителя преобразуется в механическую работу турбины. Турбина предназначена для приведение во вращение насосов ТНА. Турбина состоит из соплового аппарата 1, рабочего колеса 2 с двумя рядами рабочих лопаток 3 и 4, направляющего аппарата 5 и корпуса турбины 6 с выходным патрубком 7, рис.75.

Первая ступень турбины представляет совокупность соплового аппарата 1 и лопаток рабочего колеса 3, вторая образована неподвижными лопатками направляющего аппарата 5 и вторым рядом рабочих лопаток 4.

Преобразование энтальпии газового потока в механическую энергию вращения вала осуществляется в два этапа: энтальпии газового потока – в кинетическую энергию струи (в сопловом аппарате); кинетической энергии струи – в механическую энергию вращения вала (на рабочем колесе).

Рис.75

Конструкция турбины ТНА

Валы турбонасосных агрегатов (ТНА) работают при высоких нагрузках и больших числах оборотов. Для об­легчения веса их делают полыми. Наибольшие знакопе­ременные напряжения в металле вала возникают на его наружной поверхности. При этом всякого вида резкие переходы, следы от режущего инструмента и другие де­фекты поверхности являются концентраторами напряже­ний. В этих местах при работе могут образоваться тре­щины, что приведет к поломке вала. Поэтому особое вни­мание уделяется чистоте отделки поверхности вала с вве­дением в некоторых случаях упрочняющих операций. От­делке подвергаются не только места под подшипники, уплотнения, посадки, но и все другие участки вала, не сопрягаемые с другими деталями.

Большие числа оборотов (10000-20000 об/мин и бо­лее) заставляют конструктора назначать очень жесткие допуски на соосность шеек и посадочных мест, точность расположения осевого отверстия, разностенность и дру­гие размеры. Малейшие геометрические погрешности приводят к неравномерному распредзелению вращающих­ся масс металла, что вызывает вибрации и тряску ТНА.

5.6. Требования, предъявляемые к газогенераторам

Величина тяги ЖРД, как известно, является линейной функцией секундного расхода топлива. Секундный расход топлива для каждого конкретного двигателя с насосной си­стемой подачи компонентов зависит от мощности, развиваемой турбиной. Мощность турбины полностью определяется секундным рас­ходом и параметрами рабочего тела на входе в турбину, т. е. на выходе из газогенератора. Поэтому газогенератор являет­ся устройством, задающим режим работы всей двигательной установки. Это обстоятельство и определяет особые требова­ния к данному звену системы топливоподачи (помимо общих требований, предъявляемых ко всем агрегатам ЖРД, вне зависимости от специфики их работы). Эти требования сводятся к следующему.

1. Высокая стабильность работы. Это значит, что газоге­нератор на всех режимах работы двигателя должен возмож­но точнее обеспечивать заданный секундный расход газа и при этом значения параметров газа (состав, давление, темпе­ратура и др.) не должны выходить за определенные (допу­стимые) пределы. Чем стабильнее работа газогенератора, тем меньшие нагрузки испытывают в полете системы управления работой двигателя, а это повышает надежность двигателя и точность стрельбы.

Особенно важна стабильность работы газогенератора для ракет с нерегулируемыми ЖРД и ракет, управление даль­ностью полета которых осуществляется только по скорости полета в конце активного участка траектории. В последнем случае отклонение координат конца активного участка траек­тории, вызванное отклонением тяги двигателя от расчетного значения, вследствие нестабильной работы газогенератора, целиком перейдет в отклонение точки падения ракеты от цели.

2. Простота управления рабочим процессом в широком диа­пазоне изменения его параметров. Это требование также об­условлено регулирующим воздействием газогенератора на двигатель и необходимостью изменения режима работы дви­гателя в процессе одного запуска (при регулировании тяги во время старта и в полете, при переходе с главной ступени тяги на конечную и т. д.).

3. Высокая работоспособность генераторного газа, об­условливающая либо минимальную затрату энергии (и соот­ветственно минимальный расход топлива) на привод ТНА, либо повышение мощности ТНА. Это требование выдвигает­ся в связи с тем, что удель­ный импульс двигателя определяется отношением тяги ко всему секундному расходу отбрасываемой массы. В понятие же «отбрасываемая масса» входят как продукты сгорания топли­ва в камере, так и отработанный после турбины газ. Для ЖРД, у которых этот газ выбрасывается в атмосферу и раз­вивает удельный импульс меньший, чем продукты сгорания топ­лива, истекающие из камеры двигателя, решающим условием повышения экономичности двигателя является уменьшение расхода топлива на привод ТНА. Для ЖРД с дожиганием ге­нераторного газа главное-увеличение мощности ТНА, так как это позволяет увеличить давление в камере и при задан­ном значении давления на срезе сопла повысить степень расширения отбрасываемых продук­тов сгорания, т. е. увеличить термический КПД камеры. Уменьшение расхода топлива на привод ТНА и увеличение мощности ТНА зависят от количества энергии, отдаваемой турбине одним килограммом рабочего тела. Эта энергия рав­на, как известно, произведению относительного эффективного КПД турбины на располагаемый адиабатический теплоперепад.

5.7. Классификация газогенераторов

Основу классификации газогенераторов составляет способ получения генераторного газа. В настоящее время распро­странены три способа газогенерации.

1. Разложение (с помощью катализаторов или без них) вещества, способного после внешнего инициирующего воздей­ствия перейти к дальнейшему устойчивому самопроизвольному рас­паду, сопровождающемуся выделением значительного коли­чества тепловой энергии и газообразных продуктов разложе­ния. Таким веществом может быть как компонент основного топлива двигателя, так и специальное средство газогенера­ции, запасенное только для этой цели на борту ракеты. Газо­генераторы, в которых реализуется этот процесс, называются однокомпонентными. В дальнейшем их различают главным образом по виду разлагаемого вещества (перекисеводородные, гидразиновые, на твердом топливе и т. п.).

2. Сжигание жидкого топлива, состоящего из двух ком­понентов. Лучше всего использовать для этой цели основное топливо двигателя, так как при этом существенно упрощает­ся его подача в газогенератор и улучшаются условия экс­плуатации ракеты. Газогенераторы этого типа называются двухкомпонентными.

3. Испарение жидкости в тракте охлаждения камеры дви­гателя. При этом способе получения рабочего тела турбины одновременно решается и задача охлаждении стенок ка­меры двигателя. Газогенераторы этого типа называют паро­генераторами, а схемы двигателей-безгенераторными. Схе­мы парогенераторов подразделяются на циркуляционные и со сменой рабочего тела. В первых произвольное рабочее тело (например, вода) циркулирует по замкнутому контуру «тракт охлаждения камеры - турбина - конденсатор - насос - тракт охлаждения камеры», превращаясь попеременно то в пар, то в жидкость в различных его частях. В схемах со сме­ной рабочего тела эта циркуляция отсутствует. Рабочее тело после турбины выводится из цикла. Очевидно, что непосред­ственный выброс отработавшего газа в атмосферу заметно ухудшил бы экономичность двигателя, так как удельная тяга выхлопных патрубков всегда меньше удельной тяги ка­меры двигателя. Чтобы устранить эти потери, в тракт охла­ждения камеры обычно посылается один из компонентов топ­лива. После испарения и срабатывания в турбине он направ­ляется в камеру двигателя, где и сжигается вместе со вторым компонентом. Таким образом, безгенераторные двигатели выполняются по схеме с дожиганием рабочего тела тур­бины.

По конструкции системы газогенерации значительно, отли­чаются друг от друга, но тем не менее в каждой из них мож­но выделить следующие общие основные элементы:

Газогенератор;

Топливоподающие устройства;

Автоматику.

В газогенераторе (иногда называемом реактором) непо­средственно образуется рабочее тело турбины - газ или пар заданных параметров. Топливоподающие устройства обеспечивают поступление средств газогенерации (исходных ве­ществ) в реактор. Автоматика осуществляет регулирование рабочего процесса, а также запуск и выключение газогене­ратора. Иногда (например, при работе на основном топли­ве) система газогенерации не имеет самостоятельных топливоподающих устройств. В этом случае питание газоге­нератора топливом обеспечивается системой подачи двига­теля.

В ЖРД нашли применение следующие типы газогенераторов (ГГ):

Твердотопливный (ТГГ);

Гибридный (ТГГ);

Однокомпонентный жидкостный (однокомпонетный ЖГГ);

Двухкомпонентный жидкостный (двух­компонентный ЖГГ);

Испарительный жидкостный (испарительный ЖГГ);

Рис.74

Зависимость мощности и к.п.д. насоса от его объёмной производительности.

8.11. Турбина ТНА

Одним из основных элементов ТНА является газовая турбина. В тур­бине потенциальная энергия продуктов сгорания из газогенератора или паров охладителя преобразуется в механическую работу турбины. Турбина предна­значена для приведение во вращение насосов ТНА. Турбина состоит из сопло­вого аппарата 1, рабочего колеса 2 с двумя рядами рабочих лопаток 3 и 4, на­правляющего аппарата 5 и корпуса турбины 6 с выходным патрубком 7, рис.75.

Первая ступень турбины представляет совокупность соплового аппара­та 1 и лопаток рабочего колеса 3, вторая образована неподвижными лопатками направляющего аппарата 5 и вторым рядом рабочих лопаток 4.

Преобразование энтальпии газового потока в механическую энергию вращения вала осуществляется в два этапа: энтальпии газового потока - в ки­нетическую энергию струи (в сопловом аппарате); кинетической энергии струи - в механическую энергию вращения вала (на рабочем колесе).

Рис.75

Конструкция турбины ТНА

Валы турбонасосных агрегатов (ТНА) работают при высоких нагрузках и больших числах оборотов. Для облегчения веса их делают полыми. Наи­большие знакопеременные напряжения в металле вала возникают на его на­ружной поверхности. При этом всякого вида резкие переходы, следы от режу­щего инструмента и другие дефекты поверхности являются концентраторами напряжений. В этих местах при работе могут образоваться трещины, что при­ведет к поломке вала. Поэтому особое внимание уделяется чистоте отделки поверхности вала с введением в некоторых случаях упрочняющих операций. Отделке подвергаются не только места под подшипники, уплотнения, посадки, но и все другие участки вала, не сопрягаемые с другими деталями.

Большие числа оборотов (10000-20000 об/мин и более) заставляют конструктора назначать очень жесткие допуски на соосность шеек и посадоч­ных мест, точность расположения осевого отверстия, разностенность и другие размеры. Малейшие геометрические погрешности приводят к неравномерному распредзелению вращающихся масс металла, что вызывает вибрации и тряску ТНА.

На рис.76 изображено два наиболее характерных типа валов: с флан­цем (а) и без фланца (б).

Наиболее ответственные валы изготовляются из высококачественной легированной стали с пределом прочности после соответствующей термиче­ской обработки 1000-1200 Мн/м 2 (100-120 кГ/мм 2 ). Применяются стали 2X13, 18ХНВА, 40ХНМА, 12ХНЗА и некоторые другие.

Для менее ответственных валов используются стали типа 38ХА или сталь 45.

Диски турбин ТНА работают при больших числах оборотов, вследст­вие чего в металле возникают высокие напряжения от действия центробежных сил. Кроме того, возникают температурные напряжения от неравномерности нагрева металла диска.

Рис.76

Характерные типы валов

Диски турбин изготовляют из высоколегированных сталей и сплавов, обладающих высокой прочностью и жаростойкостью: стали ЭИ415, ЭИ481, ЭИ395, Х18Н9Т, сплавы ЭИ437Б, ЭИ617 (ХН70ВМТЮ) и другие.

Форма дисков определяется из условия равнопрочности, т. е. примерно равной нагруженности металла во всех сечениях диска.

На рис.77 изображено несколько характерных конструкций дисков турбин. Диск состоит из ступицы для соединения с валом, обода для крепления лопаток и средней части, соединяющей ступицу с ободом. Нагрузка от центро­бежных сил возрастает по мере приближения к ступице, что вызывает необхо­димость выполнять среднюю часть с постепенным утолщением к ступице. Профили А и Б средней части получаются сложными, что затрудняет обработку диска. Хотя торцовые поверхности А и Б не сопрягаются с другими деталями, они должны быть выполнены точно, с высокой чистотой поверхности. Все де­фекты механической обработки в виде рисок (следов от резца) или переходов являются концентраторами напряжений и понижают механическую прочность диска. Очень большое значение имеет равномерное распределение массы ме­талла по диску.

Даже небольшие односторонние утолщения приводят к неравномерно­сти распределения массы, что ведет к неуравновешенности. При быстром вращении неуравновешенных дисков появляются недопустимые вибрации тур-

бины, которые могут привести к аварии. Поэтому при конструировании дисков задаются жесткие допуски на все размеры дисков.

Рис.77

Конструкция дисков турбин ТНА

Особенно высокие требования по точности обработки предъявляются к сопрягаемым размерам - посадочному отверстию в ступице или посадочным пояскам и к пазам для крепления лопаток. Посадочные пояски и отверстия в ступице обычно выполняются по 2-му классу точности. Допуски на размеры паза для крепления лопаток- 0,01-0,03 мм. Допускаемое биение наружных поверхностей посадочных мест - 0,03-0,06 мм.

Передача крутящего момента от диска к валу осуществляется болтами или штифтами, вставляемыми в отверстия Г (см. рис.77,а) или шлицами Е (см. рис.77, б). Иногда вал вытачивается заодно с фланцем, а диск турбины прива­ривается к фланцу вала, как это изображено на рис.77, в. При такой конструк­ции диска достигается экономия дорогостоящих жаропрочных сплавов, так как вал изготовляется из более дешевых сталей.

При конструировании дисков турбин очень большое внимание уделя­ется рациональному способу крепления лопаток с учетом конструктивной прочности и технологичности конструкции.

Наибольшая конструктивная прочность при минимальном весе диска достигается в том случае, когда лопатки выполнены за одно целое с диском. У таких дисков обод получается наиболее легким. Однако технология их из­готовления сложна и сопряженна с большой затратой труда. Кроме того, каче­ство обработки профиля лопаток выше, если лопатки изготовляются отдельно от ротора. Повышенная шероховатость или несоответствие профиля лопатки расчетному снижает коэффициент полезного действия турбины. Все эти факто­ры подробно анализируются и в каждой конкретной конструкции ТНА на­ходится наиболее рациональное решение.

Несмотря на кажущиеся выгоды получения заготовок дисков турбин за одно целое с лопатками в реальных условиях иногда целесообразнее изготов­лять лопатки отдельно с последующим соединением их с диском с помощью замков или сваркой.

Лопатка газовой турбины состоит из двух основных конструктивных элементов - пера и корневой части с замком. Перо-рабочий элемент лопат­ки, а корневая часть, или замок, служит для соединения пера с диском турбины. Перо лопатки имеет сложную форму, определяемую газодинамическим расче­том. Вогнутую сторону пера называют корытом, а выпуклую-спинкой. Про­фили корыта и спинки соединяются, образуя кромки пера: переднюю, или входную, кромку со стороны входа газа на лопатку и заднюю, или выходную, кромку. На практике широкое распространение получили три характерных ти­па лопаток газовых турбин ТНА:

• 
  лопатка, изготовленная отдельно и соединяемая с диском турбины сваркой или замком;
• 
  лопатки открытого типа, выполненные за одно целое с диском тур­бины;
• 
  лопатки, выполненные за одно целое с диском турбины, соединен­ные сверху бандажным кольцом.

У каждого из этих типов лопаток свои достоинства и недостатки как эксплуатационного, так и технологического характера.

Лопатки первого типа изготовляются отдельно от диска и могут быть выполнены более точно и с лучшей чистотой поверхности, чем лопатки ос­тальных типов.

На каждую турбину идет большое количество лопаток, что позволяет даже при мелкосерийном производстве ТНА организовать поточное изготовле­ние лопаток с применением специального оборудования и высокопроизводи­тельной оснастки. Однако необходимость крепления отдельно выполненных лопаток к диску с помощью замков усложняет технологический процесс и утя­желяет диск турбины. Этот недостаток в значительной мере устраняется при соединении лопаток с диском сваркой.

Лопатки второго типа наиболее рациональны конструктивно, так как не требуют крепления. Однако такие лопатки нельзя изготовить обычной меха­нической обработкой. Для выбирания металла между лопатками приходится применять электроэрозионный, ультразвуковой или другие методы, по произ­водительности значительно уступающие обычной механической обработке. Кроме того, изготовление такого типа лопаток требует весьма точного соблю­дения технологического процесса, так как наличие одной забракованной лопат­ки ведет к браку всего диска турбины. Лопатки второго и третьего типа не мо­гут быть выполнены из металла или сплава, отличного от металла диска (так как составляют с диском одно целое), что не всегда рационально, а иногда даже недопустимо.

Лопатки третьего типа так же рациональны с конструктивной точки зрения, как и лопатки второго типа. Наличие бандажа, выполненного за одно целое с лопатками, даже улучшает их характеристики, но технология изго­товления таких лопаток не позволяет получить точные геометрические размеры профиля лопаток. Отливка по выплавляемым моделям дает значительные по­грешности, а обработка закрытых профилей лопаток затруднена.

Технологический процесс изготовления каждого из трех типов лопаток имеет свои особенности. Большое влияние на технологический процесс оказы­вает также материал лопаток.

Лопатки газовых турбин работают в тяжелых условиях-при высокой температуре и высоких напряжениях от центробежных сил. Материал лопаток должен обладать хорошей жаропрочностью и вместе с тем удовлетворительно обрабатываться резанием и давлением. Материал для литых лопаток должен обладать высокими литейными свойствами. Материал приварных лопаток дол­жен хорошо свариваться с материалом диска. Для изготовления лопаток турби­ны применяются следующие стали и сплавы: 1Х18Н9Т, ЗОХГСА, ЭИ69, ВЛ7-20 и другие.

Для кратковременной работы при не очень высоких температурах мо­гут применяться сплавы на алюминиевой основе типа АК4.

Корпусные детали турбонасосных агрегатов можно разделить на следующие основные группы:

1. 
   Корпусы насосов.
2. 
   Корпусы турбин.
3. 
   Выхлопные патрубки и коллекторы.
4. 
   Крышки.

Рис.78

Корпусные детали ТНА

Большинство корпусных деталей ТНА, рис.78, имеет сложную форму, образованную криволинейными, плоскими и цилиндрическими поверхностями. Криволинейные поверхности, образующие улитки, полости, выемки, не под­вергаются механической обработке, но зачищаются для удаления неровностей поверхности. Некоторые из таких поверхностей обозначены буквой Я.

Для установки подшипников, уплотнений и других деталей, примы­кающих к валам турбин и насосов, в корпусах делаются расточки, выточки, посадочные пояски. Эти посадочные места механически обрабатываются с вы­сокой точностью-по 2 или 1 -му классу. Взаимное биение посадочных поверх­ностей допускается в пределах 0,03-0,05 мм, а непараллельность торцев - 0,03-0,08 мм. С такой же высокой точностью обрабатываются места стыков корпусных деталей друг с другом по плоскостям разъема П. Особенно жесткие требования к посадочным и стыковочным местам предъявляются в конструк­циях ТНА, имеющих общий вал турбины и насосов.

Сочетание в одной детали необработанных поверхностей, имеющих относительно грубые допуски, с поверхностями, обработанными с высокой точностью, - одна из характерных особенностей корпусных деталей.

Материал для корпусов выбирается исходя из условий их работы, воз­можно минимального веса и технологичности конструкции. Корпусы насосов изготовляют чаще всего из алюминиевых литейных сплавов типа АЛ4, обла­дающих высокими литейными свойствами при достаточной прочности.

Корпусы турбин также предпочтительно изготовлять из сплавов типа АЛ4, если это допускается по температурным условиям. При высокой темпера­туре газов корпусы турбин изготовляют из жаропрочных нержавеющих сталей типа 1Х18Н9Т. Корпусы насосов для перекачивания агрессивных жидкостей изготовляют из титановых сплавов, обладающих высокой коррозионной стой­костью. Иногда по условиям минимального веса и конструктивным соображе­ниям корпусные детали изготовляются штамповкой из листа с последующей сваркой. Для сварных штампованных корпусов применяют сплавы ЭИ606, ЭИ654, сталь 1Х18Н9Т и другие.

Сварные корпусы из листовых материалов, как правило, дешевле и лег­че литых, поэтому они находят широкое применение.

Рис.79

Сварной корпус турбины:

1-фланец; 2 - коллектор; 3-кольцо

На рис.79 показан пример изготовления сварного корпуса турбины с выхлопным коллектором.

Корпус расчленен на три элементарные детали. Средняя часть - кол­лектор 2 изготовляется штамповкой из тонкого листа, а фланец 1 и посадочное кольцо 3 получены токарной обработкой. Элементарные детали соединены двумя кольцевыми сварными швами С. Сварка ведется в специальном приспо­соблении, детали поворачиваются сварочным манипулятором.

8.12. Классификация турбин

По различным признакам турбины разделяют на активные и реак­тивные, осевые, радиальные и тангенциальные, одноступенчатые и мно­гоступенчатые. Кроме того, отличают турбины со ступенями скорости и ступе­нями давления, парциальные и непарциальные, одновальные и двухвальные.

Разделение на активные и реактивные турбины производится по спо­собу распределения перепадов давления в ступени турбины.

В активных турбинах весь перепад давления, приходящийся на сту­пень, срабатывается в сопловом аппарате, а на рабочих лопатках колеса турби­ны перепад давлений отсутствует. В межлопаточном канале колеса поток пово­рачивается и на лопатки действует сила реакции. Таким образом, часть энергии газов передается ротору и абсолютная скорость газа уменьшается. Если пре­небречь потерями, относительная скорость w остается неизменной, т. е. w 1 = w 2 -В реактивных турбинах перепад давления срабатывается в сопловом аппарате и на рабочих лопатках. Вследствие расширения газа на рабочих лопатках отно­сительная скорость w возрастает, т. е. w 2 >wi, рис.80.

Рис.80

Элементарная схема и треугольники скоростей турбины:

а -активной; б-реактивной

Величина располагаемой работы L 0 , т. е. максимально возможной ра­боты турбины без потерь, определяется адиабатическим перепадом тепла h ад (теплоперепадом) от параметров газа в заторможенном состоянии на входе в турбину (Рвх; Твх) до давления на выходе Рвых.:

Где: R, k - показатель адиабаты и газовая постоянная рабочего тела турби­ны, соответственно;

Твх и Рвх - заторможенные значения температуры и давления газа перед тур­биной, соответственно; Рвых - давление газа за турбиной.

Отношение адиабатического перепада тепла, срабатываемого на рабо­чих лопатках, к полному перепаду тепла на ступени называется степенью реак­тивности:

Классификация турбин на осевые, радиальные и тангенциальные про­изводится по направлению газового потока, рис.81.

Рис.81

Типы турбин:

Осевая; б -радиальная центростремительная; в -тангенциальная: 7-сопловый аппарат, 2-лопатки

Осевыми турбинами называются турбины, в которых направление по­тока в меридиональном сечении параллельно (или почти параллельно) оси тур­бины.

Радиальными называются турбины, в которых направление потока в меридиональном сечении перпендикулярно оси турбины. В зависимости от направления потока газа различают центростремительные (направление потока от периферии к центру) и центробежные (направление потока от центра к пе-

риферии) турбины. В некоторых случаях применение радиальной турбины уп­рощает компоновку ТНА

Тангенциальными называются турбины, в которых газ движется по ок­ружности в плоскости, перпендикулярной к оси турбины, и за счет трения ув­лекает за собой лопатки турбины.

По числу ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые турбины, рис.82.

Рис.82

Многоступенчатые турбины:

а -со ступенями скорости; б- со ступенями давления;

В-с поворотом газа

В многоступенчатой турбине газ после выхода из лопаток колеса попа­дает в спрямляющий (сопловой) аппарат и снова поступает на колесо во второй ряд рабочих лопаток. Количество ступеней может равняться двум, трем и бо­лее. Применение многоступенчатых турбин позволяет использовать больший теплоперепад, хотя установка ступеней связана с дополнительными гидравли­ческими потерями, вследствие чего максимальное значение КПД многоступен­чатой турбины меньше, чем КПД одноступенчатой. Применение более двух ступеней дает незначительный выигрыш в работе.

Различают многоступенчатые турбины со ступенями скорости и со ступенями давления. В первых - перепад давлений срабатывается в сопло­вом аппарате первой ступени и полученная кинетическая энергия посте­пенно используется на других ступенях. В турбине со ступенями давления в каждой ступени срабатывает определенный перепад давления. Турбины со сту­пенями скорости имеют меньший КПД, по сравнению с турбинами со ступеня­ми давления, однако, при их применении:

Требуется меньшее количество ступеней для срабатывания задан­
ного теплоперепада (при одинаковой окружной скорости)".

• 
  более существенно снижается температура газа, поступающего в последующие ступени;

• 
  значительно уменьшаются осевые силы.

В целом турбины со ступенями скорости проще и в сравнительно не­больших ЖРД целесообразны. В двигателях больших тяг с выбросом генера­торного газа в окружающую среду, когда эффективность ТНА играет сущест­венную роль, возможно применение турбин со ступенями давления.

Разновидностью многоступенчатой турбины со ступенями скорости является турбина с поворотом подвода газа В этих турбинах газ из рабочих лопаток колеса поступает в поворотный канал, где изменяется направление потока, и повторно подводится к рабочему колесу. Такая турбина имеет большие потери, но зато рабочее колесо имеет один венец. Известно примене­ние турбины с поворотом потока в ЖРД «Вальтер».

По степени использования проходного сечения соплового аппарата различают парциальные и непарциальные турбины Парциальными называют­ся турбины, в которых сопловые каналы имеются только на части окружности. Отношение рабочей дуги соплового аппарата а р ко всей окружности называ­ется степенью парциальности:

Парциальность вызывает дополнительные потери. В ряде случаев улучшение КПД турбины за счет увеличения и и за счет увеличена длины ло­паток получается большим, чем падение его вследствие потерь на парциаль­ность. Кроме того, при заданной температуре газа температура лопаток парци­альной турбины ниже.

По числу валов различают одновальные и двухвальные турбины. Схе­ма двухвальной турбины показана на рис.83.

Применение двухвальной турбины в ТНА ЖРД может оказаться целе­сообразным из-за значительной разницы в максимально допустимых числах оборотов насосов горючего и окислителя. Однако применение двухвальных турбин в ТНА может привести к усложнению запуска и регулирования двига­теля, а также и усложняет конструкцию ТНА в целом.

Специфика условий работы турбины в ТНА и требования к ТНА, как важнейшему агрегату двигательной установки, определяют типы турбин, кото­рые рационально использовать при различных схемах двигательных установок ЖРД. В ТНА жидкостных ракетных двигателей применяются главным образом осевые активные турбины. Эти турбины конструктивно проще и достаточно надежны в работе. Для ТНА жидкостных ракетных двигателей, работающих по открытой схеме (с выбросом генераторного газа в окружающую среду),

Рис.83

Двухвальная турбина

Характерно применение парциальных активных турбин. Дело в том, что при открытой схеме для уменьшения потерь компонентов на привод ТНА стремят­ся уменьшить расход рабочего тела на турбину (это достигается увеличением перепада давления на турбине= Рвх / Рвых = 15 - 60, за счет снижения дав­ления за турбиной; однако, Рвых,min > 1,4 Рн). Вследствие малых расходов тур­бину целесообразно выполнять парциальной. Наличие же парциальности обу­словливает применение активных турбин, так как в реактивных турбинах вследствие перепада давлений на лопатках колеса возникли бы большие потери из-за перетекания газа в области перед рабочими лопатками, где отсутствуют окна для подачи рабочего тела.

В ТНА двигателей открытых схем используют как одно-, так и двух­ступенчатые турбины, чаще со ступенями скорости.

В ТНА жидкостных ракетных двигателей с замкнутой схемой (с под­водом генераторного газа в головку камеры ЖРД) в основном используются осевые одноступенчатые, низконапорные (п т = 1,15-1,8) турбины с большим расходом рабочего тела. Применение нескольких ступеней при этом нецелесо­образно из-за малого срабатываемого теплоперепада. При замкнутой схеме наряду с активными турбинами могут использоваться и турбины с небольшой реактивностью. Из удобства компоновки при замкнутой схеме возможно при­менение радиальных турбин.

Турбины для первоначальной раскрутки ТНА, работающие от пиро-стартера, обычно выполняют осевыми, одноступенчатыми, парциальными.

8.13. Основные параметры турбины

1. Мощность турбины

Nt = Nh , o +N H . r +Nвсп. ,

Где: NHО, Nht , Nbc п. - мощности насосов окислителя, горючего и вспомогатель-ныхагрегатов, соответственно.

2. Перепад давления на турбине

П т = Рвх / Рвых.

3. Температура газа перед турбиной

Величина Тг, как правило, определяется жаропрочностью материала лопаток, Тг= 1100-1500 К.

4. Число оборотов вала турбины

N = 60 u / (п Дср), где:

И - окружная скорость рабочих лопаток, м/с; Дср - средний диаметр рабочих лопаток турбины.

При одновальной компановки ТНА число оборотов рабочего колеса турбины определяется исходя из условия безкавитационной работы насосов, а при многовальной - из условия обеспечения максимального коэффициента по­лезного действия турбины.

5. Эффективный коэффициент полезного действия турбины

Потери на трение в сопловом аппарате;

Потери на перетекание рабочего тела через радиальный зазор, образован­
ный торцами рабочих лопаток и корпусом турбины;

Потери на трение и удар о диск турбины;

Механические потери в подшипниках и лабиринтных уплотнениях;

Потери с выходной скорость, т.е. потери обусловленные выбросом газо­
вого потока в окружающую среду. Данный вид потерь характерен только для
ЖРД без дожигания генераторного газа;

Учитывает вентилляционные потери, обусловленные перетеканием рабо-

Чего тела из зоны повышенного давления за рабочими лопатками в зону пони­женного после соплового аппарата на тех участках соплового аппарата, где отсутствуют выходные сечения сопел.

8.14. Требования, предъявляемые к газогенераторам

Величина тяги ЖРД, как известно, является линейной функцией се­кундного расхода топлива. Секундный расход топлива для каждого конкретно­го двигателя с насосной системой подачи компонентов зависит от мощности, развиваемой турбиной. Мощность турбины полностью определяется секунд­ным расходом и параметрами рабочего тела на входе в турбину, т. е. на выходе из газогенератора. Поэтому газогенератор является устройством, задающим режим работы всей двигательной установки. Это обстоятельство и определяет особые требования к данному звену системы топливоподачи (помимо общих требований, предъявляемых ко всем агрегатам ЖРД, вне зависимости от спе­цифики их работы). Эти требования сводятся к следующему.

1. Высокая стабильность работы. Это значит, что газогенератор на всех режимах работы двигателя должен возможно точнее обеспечивать задан­ный секундный расход газа и при этом значения параметров газа (состав, дав­ление, температура и др.) не должны выходить за определенные (допустимые) пределы. Чем стабильнее работа газогенератора, тем меньшие нагрузки испы­тывают в полете системы управления работой двигателя, а это повышает на­дежность двигателя и точность стрельбы.

Особенно важна стабильность работы газогенератора для ракет с нере­гулируемыми ЖРД и ракет, управление дальностью полета которых осуществ­ляется только по скорости полета в конце активного участка траектории. В по­следнем случае отклонение координат конца активного участка траектории, вызванное отклонением тяги двигателя от расчетного значения, вследствие не­стабильной работы газогенератора, целиком перейдет в отклонение точки па­дения ракеты от цели.

2. Простота управления рабочим процессом в широком диапазоне из­
менения его параметров. Это требование также обусловлено регулирующим
воздействием газогенератора на двигатель и необходимостью изменения режи­
ма работы двигателя в процессе одного запуска (при регулировании тяги во
время старта и в полете, при переходе с главной ступени тяги на конечную и т.

3. Высокая работоспособность генераторного газа, обусловливающая
либо минимальную затрату энергии (и соответственно минимальный расход
топлива) на привод ТНА, либо повышение мощности ТНА. Это требование
выдвигается в связи с тем, что удельный импульс двигателя определяется от­
ношением тяги ко всему секундному расходу отбрасываемой массы. В понятие
же «отбрасываемая масса» входят как продукты сгорания топлива в камере, так
и отработанный после турбины газ. Для ЖРД, у которых этот газ выбрасывает­
ся в атмосферу и развивает удельный импульс меньший, чем продукты сгора­
ния топлива, истекающие из камеры двигателя, решающим условием повыше­
ния экономичности двигателя является уменьшение расхода топлива на привод
ТНА. Для ЖРД с дожиганием генераторного газа главное-увеличение мощно­
сти ТНА, так как это позволяет увеличить давление в камере и при заданном
значении давления на срезе сопла повысить степень расширения отбрасывав-

Мыхпродуктов сгорания, т. е. увеличить термический КПД камеры. Уменьше-ниерасхода топлива на привод ТНА и увеличение мощности ТНА зависят от количества энергии, отдаваемой турбине одним килограммом рабочего тела. Эга энергия равна, как известно, произведению относительного эффективного КПД турбины на располагаемый адиабатический теплоперепад.

8.15. Классификация газогенераторов

Основу классификации газогенераторов составляет способ получе­ния генераторного газа. В настоящее время распространены три способа газо­генерации.

1. Разложение (с помощью катализаторов или без них) вещества, спо­собного после внешнего инициирующего воздействия перейти к дальнейшему устойчивому самопроизвольному распаду, сопровождающемуся выделением значительного количества тепловой энергии и газообразных продуктов разло­жения. Таким веществом может быть как компонент основного топлива двига­теля, так и специальное средство газогенерации, запасенное только для этой цели на борту ракеты. Газогенераторы, в которых реализуется этот процесс, называются однокомпонентными. В дальнейшем их различают главным обра­зом по виду разлагаемого вещества (перекисеводородные, гидразиновые, на твердом топливе и т.п.).

2. Сжигание жидкого топлива, состоящего из двух компонентов. Луч­ше всего использовать для этой цели основное топливо двигателя, так как при этом существенно упрощается его подача в газогенератор и улучшаются усло­вия эксплуатации ракеты. Газогенераторы этого типа называются двухкомпо-нентными.

3. Испарение жидкости в тракте охлаждения камеры двигателя. При этом способе получения рабочего тела турбины одновременно решается и за­дача охлаждении стенок камеры двигателя. Газогенераторы этого типа назы­вают парогенераторами, а схемы двигателей-безгенераторными. Схемы паро­генераторов подразделяются на циркуляционные и со сменой рабочего тела. В первых произвольное рабочее тело (например, вода) циркулирует по замкнуто­му контуру «тракт охлаждения камеры - турбина - конденсатор - насос - тракт охлаждения камеры», превращаясь попеременно то в пар, то в жидкость в различных его частях. В схемах со сменой рабочего тела эта циркуляция отсут­ствует. Рабочее тело после турбины выводится из цикла. Очевидно, что непо­средственный выброс отработавшего газа в атмосферу заметно ухудшил бы экономичность двигателя, так как удельная тяга выхлопных патрубков всегда меньше удельной тяги камеры двигателя. Чтобы устранить эти потери, в тракт охлаждения камеры обычно посылается один из компонентов топлива. После испарения и срабатывания в турбине он направляется в камеру двигателя, где и сжигается вместе со вторым компонентом. Таким образом, безгенераторные двигатели выполняются по схеме с дожиганием рабочего тела турбины.

По конструкции системы газогенерации значительно, отличаются друг от друга, но тем не менее в каждой из них можно выделить следующие общие основные элементы:

• 
  газогенератор;
• 
  топливоподающие устройства;
• 
  автоматику.

В газогенераторе (иногда называемом реактором) непосредственно об­разуется рабочее тело турбины - газ или пар заданных параметров. Топливопо­дающие устройства обеспечивают поступление средств газогенерации (исход­ных веществ) в реактор. Автоматика осуществляет регулирование рабочего процесса, а также запуск и выключение газогенератора. Иногда (например, при работе на основном топливе) система газогенерации не имеет самостоятельных топливоподающих устройств. В этом случае питание газогенератора топливом обеспечивается системой подачи двигателя. В ЖРД нашли применение следующие типы газогенераторов (ГТ):

• 
  твердотопливный (ТГГ);
• 
  гибридный (ТГГ);
• 
  однокомпонентный жидкостный (однокомпонетный ЖГГ);
• 
  двухкомпонентный жидкостный (двухкомпонентный ЖГГ);
• 
  испарительный жидкостный (испарительный ЖГГ);
• 
  аккумулятор сжатого газа (АСГ).

1) Изучение схемы и принципа работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).

2) Определение изменение параметров рабочего тела вдоль тракта камеры ЖРД.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЖРД

2.1. Состав ЖРД

Реактивным двигателем называется техническое устройство, создающее тягу в результате истечения из него рабочего тела. Реактивные двигатели обеспечивают ускорение перемещающихся аппаратов различных типов.

Ракетный двигатель – это реактивный двигатель, использующий для работы только вещества и источники энергии, имеющиеся в запасе на борту перемещающегося аппарата.

Жидкостной ракетный двигатель (ЖРД) – это ракетный двигатель, использующий для работы топливо (первичный источник энергии и рабочее тело), находящееся в жидком агрегатном состоянии.

ЖРД в общем случае состоит из:

2- турбонасосных агрегатов (ТНА);

3- газогенераторов;

4- трубопроводов;

5- агрегатов автоматики;

6- вспомогательных устройств

Один или несколько ЖРД, в совокупности с пневмогидравлической системой (ПГС) подачи топлива в камеры двигателя и вспомогательными агрегатами ступени ракеты, составляют жидкостную ракетную двигательную установку (ЖРДУ).

В качестве жидкого ракетного топлива (ЖРТ) используется вещество или несколько веществ (окислитель, горючее), которые способны в результате экзотермических химических реакций образовывать высокотемпературные продукты сгорания (разложения). Эти продукты являются рабочим телом двигателя.

Каждая камера ЖРД состоит из камеры сгорания и сопла. В камере ЖРД первичная химическая энергия жидкого топлива преобразуется в конечную кинетическую энергию газообразного рабочего тела, в результате истечения которого создается реактивная сила камеры.

Отдельный турбонасосный агрегат ЖРД состоит из насосов и приводящей их в действия турбины. ТНА обеспечивает подачу компонентов жидкого топлива в камеры и газогенераторы ЖРД.

Газогенератор ЖРД является агрегатом, в котором основное или вспомогательное топливо преобразуется в продукты газогенерации, используемые в качестве рабочего тела турбины и рабочих тел системы наддува баков с компонентами ЖРТ.

Система автоматики ЖРД представляет собой совокупность устройств (клапанов, регуляторов, датчиков и т.п.) различных типов: электрического, механического, гидравлического, пневматического, пиротехнического и др. Агрегаты автоматики обеспечивают запуск, управление, регулирование и останов ЖРД.

Параметры ЖРД

Основными тяговыми параметрами ЖРД являются:

Реактивная сила ЖРД - R - результирующая газо- и гидродинамических сил, действующих на внутренние поверхности ракетного двигателя при истечении из него вещества;

Тяга ЖРД - Р - равнодействующая реактивной силы ЖРД (R) и всех сил давления окружающей среды, которые действуют на внешние поверхности двигателя за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления;

Импульс тяги ЖРД - I - интеграл от тяги ЖРД по времени его работы;

Удельный импульс тяги ЖРД - I у - отношение тяги (Р) к массовому расходу топлива () ЖРД.

Основными параметрами, которые характеризуют процессы, протекающие в камере ЖРД, служат давление (р), температура (Т) и скорость потока (W) продуктов сгорания (разложения) жидкого ракетного топлива. При этом особо выделяются значения параметров на входе в сопло (индекс сечения «с»), а также в критическом («*») и выходном («а») сечениях сопла.

Расчет значений параметров в различных сечениях тракта сопла ЖРД и определение тяговых параметров двигателя проводится по соответствующим уравнениям термогазодинамики. Приближенная методика подобного расчета рассмотрена в 4 разделе данного пособия.

1. СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЖРД «РД-214»

3.1. Общая характеристика ЖРД «РД-214»

Жидкостной ракетный двигатель «РД-214» применяется в отечественной практике с 1957 года. С 1962 года он устанавливается на 1-ой ступени многоступенчатых ракетах-носителях «Космос», с помощью которых на околоземные орбиты выведены многие спутники серий «Космос» и «Интеркомос».

ЖРД «РД-214» имеет насосную систему подачи топлива. Двигатель работает на высококипящем азотно-кислотном окислителе (растворе окислов азота в азотной кислоте) и углеводородном горючем (продуктах переработки керосина). Для газогенератора применяется специальный компонент – жидкая перекись водорода.

Основные параметры двигателя имеют следующие значения:

Тяга в пустоте Р п = 726 кН;

Удельный импульс тяги в пустоте I уп = 2590 Н×с/кг;

Давление газа в камере сгорания р к = 4,4 МПа;

Степень расширения газа в сопле e = 64

ЖРД «РД-214», (рис. 1) состоит из:

Четырех камер (поз. 6);

Одного турбонасосного агрегата (ТНА) (поз. 1, 2, 3, 4);

Газогенератора (поз. 5);

Трубопровода;

Агрегатов автоматики (поз. 7, 8)

ТНА двигателя состоит из насоса окислителя (поз. 2), насоса горючего (поз. 3), насоса перекиси водорода (поз. 4) и турбины (поз. 1). Ротора (вращающиеся части) насосов и турбины связаны одним валом.

Агрегаты и узлы, обеспечивающие подачу компонентов в камеру двигателя, газогенератор и турбину, объединяются в три отдельные системы – магистрали:

Систему подачи окислителя

Систему подачи горючего

Систему парогазогенерации перекиси водорода.

Рис.1. Схема жидкостного ракетного двигателя

1 – турбина; 2 – насос окислителя; 3 – насос горючего;

4 – насос перекиси водорода; 5 – газогенератор (реактор);

6 – камера двигателя; 7, 8 – элементы автоматики.

3.2. Характеристика агрегатов ЖРД «РД-214»

3.2.1. Камера ЖРД

Четыре камеры ЖРД связаны в единый блок по двум сечениям с помощью болтов.

Каждая камера ЖРД (поз. 6) состоит из смесительной головки и корпуса. Смесительная головка включает верхнее, среднее и нижнее (огневое) днища. Между верхним и средним днищами образована полость для окислителя, между средним и огневым – полость для горючего. Каждая из полостей с помощью соответствующих форсунок связана с внутренним объемом корпуса двигателя.

В процессе работы ЖРД через смесительную головку и ее форсунки осуществляется подача, распыл и смешение жидких компонентов топлива.

Корпус камеры ЖРД включает часть камеры сгорания и сопло. Сопло ЖРД сверхзвуковое, имеет сходящуюся и расходящуюся части.

Корпус камеры ЖРД двухстенный. Внутренняя (огневая) и наружная (силовая) стенки корпуса связаны между собой проставками. При этом, с помощью проставок, между стенками образованы каналы тракта жидкостного охлаждения корпуса. В качестве охладителя используется горючее.

Во время работы двигателя горючее подается в тракт охлаждения через специальные патрубки коллектора, расположенного на конечной части сопла. Пройдя тракт охлаждения, горючее поступает в соответствующую полость смесительной головки и через форсунки вводится в камеру сгорания. Одновременно через другую полость смесительной головки и соответствующие форсунки, в камеру сгорания поступает окислитель.

В объеме камеры сгорания происходит распыл, смешение и сгорание жидких компонентов топлива. В результате образуется высокотемпературное газообразное рабочее тело двигателя.

Затем в сверхзвуковом сопле осуществляется преобразование тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию его струи, при истечении которой создается тяга ЖРД.

3.2.2. Газогенератор и турбонасосный агрегат

Газогенератор (рис. 1, поз. 5) является агрегатом, в котором жидкая перекись водорода в результате экзотермического разложения преобразуется в высокотемпературное парообразное рабочее тело турбины.

Турбонасосный агрегат обеспечивает напорную подачу жидких компонентов топлива в камеру и газогенератор двигателя.

ТНА состоит из (рис. 1):

Шнекоцентробежного насоса окислителя (поз. 2);

Шнекоцентробежного насоса горючего (поз. 3);

Центробежного насоса перекиси водорода (поз. 4);

Газовой турбины (поз. 1).

Каждый насос и турбина имеет неподвижный статор и вращающийся ротор. Роторы насосов и турбины имеют общий вал, состоящий из двух частей, которые связаны рессорой.

Турбина (поз. 1) служит приводом насосов. Основными элементами статора турбины являются корпус и сопловой аппарат, а ротора – вал и рабочее колесо с лопатками. В процессе работы, на турбину из газогенератора поступает перекисный парогаз. При прохождении парогаза через сопловой аппарат и лопатки рабочего колеса турбины, его тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения колеса и вала ротора турбины. Отработанный парогаз собирается в выходном коллекторе корпуса турбины и сбрасывается в атмосферу через специальные отбросные сопла. При этом создается некоторая дополнительная тяга ЖРД.

Насосы окислителя (поз. 2) и горючего (поз. 3) шнекоцентробежного типа. Основными элементами каждого из насосов является корпус и ротор. Ротор имеет вал, шнек и центробежное колесо с лопатками. В процессе работы от турбины к насосу через общий вал подводится механическая энергия, обеспечивающая вращения ротора насоса. В результате воздействия лопаток шнека и центробежного колеса на прокачиваемую насосами жидкость (компонент топлива), механическая энергия вращения ротора насоса преобразуется в потенциальную энергию давления жидкости, что обеспечивает подачу компонента в камеру двигателя. Шнек перед центробежным колесом насоса устанавливается для предварительного повышения давления жидкости на входе в межлопаточные каналы рабочего колеса с целью предотвращения холодного вскипания жидкости (кавитации) и нарушения ее сплошности. Нарушения сплошности потока компонента может вызвать неустойчивость процесса сгорания топлива в камере двигателя, а, следовательно, и неустойчивость работы ЖРД в целом.

Для подачи в газогенератор перекиси водорода применяется центробежный насос (поз. 4). Сравнительно малый расход компонента создает условия бескавитационной работы центробежного насоса без установки перед ним шнекового преднасоса.

3.3. Принцип работы двигателя

Пуск, управление и остановка двигателя выполняется автоматически по электрическим командам с борта ракеты на соответствующие элементы автоматики.

Для начального воспламенения компонентов топлива используется специальное пусковое горючее, самовоспламеняющиеся с окислителем. Пусковое горючее первоначально заполняет небольшой участок трубопровода перед насосом горючего. В момент запуска ЖРД в камеру поступает пусковое горючее и окислитель, происходит их самовоспламенение и лишь затем в камеру начинают подаваться основные компоненты топлива.

В процессе работы двигателя окислитель последовательно проходит элементы и агрегаты магистрали (системы), включающей:

Разделительный клапан;

Насос окислителя;

Клапан окислителя;

Смесительную головку камеры двигателя.

Поток горючего протекает по магистрали, включающей:

Разделительные клапана;

Насос горючего;

Коллектор и тракт охлаждения камеры двигателя;

Смесительную головку камеры.

Перекись водорода и образующийся парогаз последовательно проходят элементы и агрегаты системы парогазогенерации, включающей:

Разделительный клапан;

Насос перекиси водорода;

Гидроредуктор;

Газогенератор;

Сопловой аппарат турбины;

Лопатки рабочего колеса турбины;

Коллектор турбины;

Отбросные сопла.

В результате непрерывной подачи турбонасосным агрегатом компонентов топлива в камеру двигателя, их сгорание с образованием высокотемпературного рабочего тела и истечения рабочего тела из камеры, создается тяга ЖРД.

Варьирование значения тяги двигателя в процессе его работы обеспечивается с помощью изменения расхода перекиси водорода, подаваемой в газогенератор. При этом изменяется мощность турбины и насосов, а, следовательно, и подача компонентов топлива в камеру двигателя.

Останов ЖРД производится в две ступени с помощью элементов автоматики. С основного режима двигатель сначала переводится на конечный режим работы с меньшей тягой и лишь затем выключается полностью.

1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Объем и порядок выполнения работы

В процессе выполнения работы последовательно выполняются следующие действия.

1) Изучается схема ЖРД «РД-214». Рассматривается назначение и состав ЖРД, конструкция агрегатов, принцип работы двигателя.

2) Производится измерение геометрических параметров сопла ЖРД. Находится диаметр входного («с»), критического («*») и выходного («а») сечений сопла (D с, D * , D а).

3) Рассчитывается значение параметров рабочего тела ЖРД во входном, критическом и выходном сечениях сопла ЖРД.

По результатам расчетов строится обобщенный график изменения температуры (Т), давления (р) и скорости (W) рабочего тела вдоль тракта сопла (L) ЖРД.

4) Определяются тяговые параметры ЖРД при расчетном режиме работы сопла ().

4.2. Исходные данные для расчета параметров ЖРД «РД-214»

Давление газа в камере (см. вариант)

Температура газов в камере

Газовая постоянная

Показатель изоэнтропы

Функция

Принимается, что процессы в камере протекают без потерь энергии. При этом коэффициенты потерь энергии в камере сгорания и сопле соответственно равны

Режим работы сопла расчетный (индекс «r »).

Посредством измерения определяются:

Диаметр критического сечения сопла ;

Диаметр выходного сечения сопла .

4.3. Последовательность расчета параметров ЖРД

А) Параметры в выходном сечении сопла («а») определяются в следующей последовательности.

1) Площадь выходного сечения сопла

2) Площадь критического сечения сопла

3) Геометрическая степень расширения газа

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково значение ЖРД «РД-214»?

2. Перечислите основные системы изученного ЖРД.

3. Каково назначение камеры ЖРД, из каких частей она состоит?

4. Каково назначение ТНА, перечислите его основные агрегаты?

5. Каково назначение и состав системы парогазогенерации ЖРД «РД-214»?

6. Опишите последовательность прохождения рабочего тела турбины.

7. Перечислите основные тяговые параметры ЖРД; назовите их значения для ЖРД «РД-214».