Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
8. Система подачи компонентов топлива 8.1. Турбонасосная система (ТНС) подачи компонентов топлива Турбонасосная система состоит из следующих подсистем.
Для ЖРД, работающих по схеме «жидкость - газ» или «газ-газ», система отвода генераторного газа включает газовод (толстостенный патрубок), соединяющий выхлопной коллектор турбины с головкой камеры ЖРД. 8.2. Компоновочные схемы ТНА 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.    Рис.57 Компоновочные схемы ТНА Наибольшее распространение в ЖРДУ получили одновальные схемы ТНА. 8.3. 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;
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 дифузор 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) б, назначение которого состоит в том, чтобы собирать жидкость, вы-ооящую из колеса, а также уменьшать ее скорость. По нагнетающему патруб-ц жидкость подается в сеть. Чтобы уменьшить перетекание жидкости из полости высокого давшая (диффузора, улитки) в область низкого давления, в насосе делаются уп-лотнения 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 антикави-тационных 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 ч- 5 мм. 8.4. 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 значи- тельно 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.  а) б) в) Рис.62 Уплотнения крыльчаток: а - щелевое; б - лабиринтное; в - плавающее 8.6. Основные параметры насосов 1 .Объемная производительность насоса, V, м3 / с  где:  - массовый секундный расход жидкости, кг/с;  - плотность рабочего тела на входе в крыльчатку, м3 / кг .Относительная скорость движения жидкости в насосе, а, следовательно, V и  пропорциональны частоте вращения крыльчатки: 2. Действительный напор насоса, Нд, Дж/кг. Действительный напор насоса характеризует приращение энергии, приобретенное 1 кг жидкости, прошедшей через насос.  где: Р вых. > Р вх. - давление на выходе и входе в крыльчатку, н/ м2 ;  - средняя плотность жидкости в крыльчатке насоса, м3 / кг ;Напор пропорционален произведению квадратов частоты вращения n и внешнего диаметра крыльчатки:  3.Давление на выходе из насоса, PBblX, Па.  где:  - давление в камере, Па; - перепад давления на форсунках, Па; -перепад давления, обеспечивающий преодоление гидравлическогосопротивления магистрали от насоса до камеры ЖРД, Па. 4.Число оборотов крыльчатки, n, об/мин.  где:  - угловая скорость крыльчатки, 1/ с .5.Полезная мощность насоса, N, Вт. Полезная мощность насоса - мощность, переданная насосом жидкости, т.е. затраченная на создание действительного напора при заданной объемной производительности.  Полезная мощность насоса пропорциональна кубу числа оборотов крыльчатки  б.Коэффициент полезного действия насоса насоса,  , %. где:  , , -объемный, гидравлический и механический коэффициентыполезного действия (к.п.д.) насоса, соответственно.  где V ут. - объемная производительность насоса, обусловленная перетечками в нем. Объемный КПД определяет количество жидкости, перетекающей из полости высокого давления обратно в полость низкого давления, и утечек жидкости из полости высокого давления через уплотнения.   - учитывает потери:
Потери на трение пропорциональны квадрату объемной производительности V2 или квадрату относительной скорости жидкости W2. Потери на удар минимальны при расчетном числе оборотов крыльчаг-ки.  = 70 / 90 %Произведение объемного и гидравлического к.п.д. носит название внутреннего к.п.д. насоса.  - учитывает механические потери, связанные с трением жидкости о нерабочие поверхности крыльчатки, потери в подшипниках, уплотнениях и т.д. = 70 / 80 %7. Потребная мощность насоса, NH, Вт.  Потребная мощность насоса определяется экспериментально при его проливках, в процессе проведения которых находят объемную производительность, значения давления на входе и выходе из насоса, число оборотов крыльчатки и крутящий момент на валу. 8. Коэффициент быстроходности насоса, ns. Коэффициент быстроходности насоса - число оборотов этатонного насоса, геометрически подобного натурному, с тем же гидравлическим и объемным к.п.д., но с напором в 1 Дж/кг и полезной мощностью в 1 Вт. В общем случае:  Величина nsхарактеризует форму колеса насоса, рис.63. Действительно, при данном числе оборотов п большее значение пsсоответствует большим объемным производительностям V и меньшим напорам Я. Увеличение же V и уменьшение Я приводит к увеличению проходного сечения канала колеса (ширины) и к уменьшению выходного диаметра колеса D2. Таким образом, при больших значениях nsканал колеса будет коротким и широким. С уменьшением nsканал сужается, а отношение выходного и входного диаметров колеса (D2 /DI) увеличивается. Насосы ЖРД, как правило, имеют относительно малые расходы объемные производительности V и большие напоры Н, т.е. малые значения ns (обычно меньше 100).  Рис.63 Форма колеса насоса в зависимости от ns: а - тихоходное колесо; б - нормальное колесо; в - быстроходное колесо 8.7. Характеристики насосов Рассмотрим движение жидкости в проточной части центробежного насоса, рис.64. Частицы жидкости, находящиеся в межлопаточном канале участвуют в двух движениях: в относительном ( W- относительная скорость ) и в переносном (U- окружная скорость). В результате указанных движений частичка жидкости перемещается в канале с абсолютной скоростью С , при этом U2 > U1 . С целью уменьшения потерь и создания наиболее благоприятных условий течения жидкости по каналу крыльчатки рекомендуется принимать Wi = W2, при условии U2 > U1 . Индексы "1" и "2" относятся к входному и выходному сечениям крыльчатки соответственно, рис.65.  Рис.64 Изменение параметров по тракту центробежного насоса Согласно формуле Эйлера, напор насоса с бесконечным числом лопаток может быть определен по следующей зависимости:  где: G2,u - проекция абсолютной скорости на выходе из крыльчатки на окружную скорость (окружная составляющая абсолютной скорости на выходе из крыльчатки). В насосе с бесконечным числом лопаток любая струйка жидкости, перемещающаяся от входа в колесо к спиральной камере, имеет одинаковые параметры. При конечном числе лопаток это условие нарушается. Со стороны лопатки, оказывающей силовое воздействие на жидкость, давление будет больше, рис.66,а. Такая неравномерность полей давлений связана с неравномерностью полей скоростей, рис.66,6. Относительная скорость будет больше на стороне лопатки, не оказывающей давление на жидкость. Указанные распределения параметров вызывают изменения характера скорости жидкости в межлопаточном канале, т.е. приводят к появлению циркуляционных течений и к некоторому отклонению потока на выходе в сторону противоположную вращению, что определяет снижение напора, создаваемого насосом.  Рис.65 Треугольники скоростей на входе и на выходе из крыльчатки центробежного насоса Потери на циркуляцию оцениваются коэффициентом потерь насоса nЛ, который характеризует снижение напора, за счет конечного числа лопаток. Теоретический напор насоса с конечным числом лопаток определяется из соотношения:    Для центробежного насоса: где: D1,CP- средний диаметр лопатки крыльчатки на входе;  - угол наклона лопатки крыльчатки на выходе . а) |