Определение основных параметров агрегатов, входящих в ТНА двигательной установки. Определение основных параметров агрегатов, входящих в ТНА двигат. Пояснительная записка Цель работы

• Название: Пояснительная записка Цель работы
• Анкор: Определение основных параметров агрегатов, входящих в ТНА двигательной установки
• Дата: 09.10.2021
• Размер: 102.48 Kb.
• Имя файла: Определение основных параметров агрегатов, входящих в ТНА двигат.docx
• Тип: Пояснительная записка; #244353

Пояснительная записка

Цель работы. Определение основных параметров агрегатов, входящих в ТНА двигательной установки, ПГС которой позволяет организовать в камере сгорания ЖРД процесс по схеме «газ - жидкость».

Проведение контрольной работы предусматривает достижение этой цели с использованием исходных данных по 3-ему варианту – ПГС с ДБГГ.

Таблица 1.

Наименования параметров	Обозначения	Единицы измерения	Вариант 3
Характеристика ПГС	-	-	ДБГГ
Тяга двигателя	R	тс	10
Удельная тяга двигателя	I уд	с	460
Компоненты топлива (КТ)	-	-	кислород + водород
Соотношение КТ подаваемых в КС	к m	-	5,5
Коэффициент избытка окислителя при подаче КТ в ГГ	α гг	-	-
Коэффициенты полезного действия турбины и насосов	η т η но η нг η нг2	- - - -	0,7 0,60 0,62 -
Давление окислителя и горючего на входе в насос	р но вх р нг вх	МПа МПа	0,4 0,2
Температура окислителя и горючего на входе в насосы	Тно вх Тнг вх	К К	90,2 20,4
Температура газа на входе в турбину	Тт	К	250
Газовая постоянная рабочего тела турбины	Rг	Дж / кг·К	4124,4
Показатель адиабаты рабочего тела турбины	к	-	1,4
Давление в камере сгорания в 1-ом приближении	р кс	МПа	6
Гидравлическое сопротивление магистралей: - между насосами и ГГ; - между насосами и КС; - между турбиной и КС; - между насосом и турбиной	∆р но-гг ∆р нг-гг ∆р но2-гг ∆р нг2-гг ∆р но-кс ∆р нг-кс ∆р т-кс ∆р нг т	МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа МПа	- - - - 2 - 2 2

1. Краткое описание безгенераторной системы пита­ния ЖРДУ с насосной подачей топлива с дожиганием восстановительного газа пос­ле турбины (замкнутая схема с ДБГГ).

ЖРД работает по испарительному циклу («безгенераторная» схема), когда жидкий водород преобразуется в газообразное состояние, проходя через охлаждающий тракт сопла камеры сгорания, и вращает турбину.



1 - главный клапан окислителя; 2 - дрос­сель регулятора соотношения компонен­тов топлива; 3 - дроссель регулятора тяги; 4 - механический редуктор; 5 - обводный газовод; 6 - сопловой дроссель турбины; 7 - магистраль подачи нагретого водоро­да в турбину; 8 - дроссель отбора газа для наддува бака; 9 - основной газо­вод; 10 - главный клапан горючего; 11 – турбина.

Жидкий водород поступает в двухступенчатый насос, затем в тракт регенеративного охлаждения камеры. Охлаждая камеру, жидкий водород нагревается и преобразуется в газообразный и далее через мерное сопло поступает на осевую двухступенчатую турбину 11 привода ТНА. После турбины водород подается через форсуночную головку в камеру сгорания.
Турбонасосный агрегат выполнен двухвальным, причем передача крутящего момента с вала насоса горючего на вал насоса окислителя осуществляется при помощи шестерного редуктора 4, для понижения частоты вращения насоса кислорода, обусловленное повышенной склонностью этого топлива к кавитации.

При такой схеме двигательной установки отпадает необходимость в специальном ЖГГ, что существенно упрощает всю установку. Недостатком ее является довольно ограниченный предел возможного давления в камере сгорания .

2. Расчетное определение параметров насосов и турбины при энергетической увязке агрегатов ТНА.

Определяем суммарный расход топлива:



Определяем расход горючего:



Определяем расход окислителя:



Определяем или оцениваем необходимые для расчета величины:

Расход через турбину:

;

Объемный расход компонентов через камеру сгорания:

= м³/с ;

где

- плотности жидких водорода и кислорода;

= 70,8 кг/м³

= 1140 кг/м³

Определяем , , , при давлении в камере сгорания =8 МПа (Мн/м²). Находим уравнение зависимости мощности турбины от перепада давления на турбине :



где



Находим уравнение зависимости мощности насосов от или от давления в турбине:

;

где:

- мощность насоса окислителя;

- мощность насоса горючего.

Мощность насоса окислителя :

;

где

и – давление на выходе и на входе в насос соответственно.

Находим давление на выходе насоса окислителя:

МПа

Следовательно, мощность насоса окислителя:

=204111,11 Вт

Находим давление турбины на выходе:



Находим давление в турбине:

=

Мощность насоса горючего :

;

Находим давление на выходе из насоса горючего:


МПа

Следовательно, мощность насоса горючего:



Определяем потребную мощность насосов :

204111,11 + = 341071,19 + .

Строим графики зависимостей потребной мощности и располагаемой мощности от перепада на турбине . Точки пересечения кривой потребной мощности насосов с кривыми располагаемой мощности дают расчетные значения и :



; Вт;

Определяем давление подачи через насосы:

Давление в турбине:

=

Давление подачи насоса горючего в турбину:



Мощность насоса горючего:

Вт

Потребную мощность насосов :

=341071,19 + =341071,19 +

= 1643713,77 Вт

Проверка:



(Вт)

Отклонение составляет 0,0006%.

3.Определение величин подогрева компонентов топлива в насосах.

Величина подогрева компонентов топлива в насосах:



где – удельная теплоёмкость компонента при постоянном давлении.

, при ;

, при ;

Величина подогрева окислителя в насосе:



Величина подогрева горючего в насосе:



4.Определение допустимой частоты вращения ТНА.

Определяем обороты ТНА:

,

откуда

, также

;

где

С_срв – кавитационный коэффициент быстроходности ( );

( h_срв)доп– величина допускаемого кавитационного запаса;

Q – объемный расход компонента через насос;

Находим ( h_срв)доп:

;

где

– полная располагаемая энергия на входе в насос;

- резервный запас по давлению, учитывающий несовершенство расчетов и отличие кавитационных свойств у производимых насосов друг от друга (его величина обычно равна =10÷30 Дж/кг);

Находим располагаемую энергию:

;

где

– статическое давление на входе в колесо насоса;

– давление насыщенных паров компонента;

С_вх – скорость на входе в колесо насоса;

;

плотность жидкого кислорода при ;

Следовательно,



– принимаем равным 20 Дж/кг;

Дж/ кг

Находим объемный расход компонента через насос:

= м³/с

Получаем:

,

откуда

;

Отношение допустимых чисел оборотов насосов горючего и окислителя:



где

0,65 – для компонентов жидкого водорода и жидкого кислорода;

- плотности жидких водорода и кислорода;

= 70,8 кг/м³;

= 1140 кг/м³;

Следовательно,

3,78

5.Определение оптимального перепада давления на турбине. Определяем , оптимальное значение и оптимальное значение .

Уравнением, связывающим основные параметры камеры сгорания и ТНА, является уравнение баланса мощностей турбины и насоса ):

,

где

– расход газа через турбины;

–адиабатическая работа;

– КПД турбины;

Которое в развернутом виде записывается так:

,

Где - расход водорода через камеру сгорания, равный расходу H₂ через турбину;

– расход кислорода;

- плотности жидких водорода и кислорода;

к = 1,4 – показатель адиабаты для водорода;

- перепад давлений на турбине:

;

–давления подачи H₂ и O₂;

–давления на входе в насосы;

Очевидно, что

;

,

где

– потери давления на участке от насоса до входа в камеру двигателя;

– потери давления на участке от насоса до турбины;

– потери давления на участке от входа в камеру двигателя до камеры сгорания (в головке камеры двигателя);

– потери давления на участке от турбины до камеры сгорания.

Определим величину наибольшего возможного давления в камере .

Примем, что

После несложных преобразований получим:

= - ,

где

–соотношение компонентов топлива;

= 70,8 кг/м³

= 1140 кг/м³

Обозначим

А = ;

Б = ;

Получим:

= - .

Для определения возьмем производную d /d и приравняем её нулю:

= 0,

откуда получим уравнение для нахождения перепада давлений ,

соответствующего наибольшему возможному давлению в камере.

= =

или, обозначив постоянные

Д = ;

Е = = .

Получим

Е = ) = ).



Из графика видно, что

Зная , находим :

= - - 6,22 Мн/м²

2182054,168 Вт



Определяем , оптимальное значение и оптимальное значение при Т_т = 350 К:

А = ;

Б = ;

Д = ;

Е = = .

Получим

Е = ) = ).



Из графика видно, что

Зная , находим :

= - - 9,82 Мн/м²

3007779,87 Вт

Итоговые значения всех рассчитанных параметров и их величин приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Итоговые значения всех рассчитанных параметров и их величин.

№п/п	Наименования параметров	Обозначения параметров	Единицы измерения	Расчётные величины
1	Располагаемая мощность турбины		кВт
2	Потребная мощность насосов		кВт кВт кВт	204,111 -
3	Давление подачи окислителя		МПа
4	Давление подачи горючего		МПа
5	Давление в ГГ		МПа	-
6	Перепад давления на турбине		МПа
7	Обороты ТНА	n	об/мин
8	Величина подогрева окислителя в насосе		К
9	Величина подогрева горючего в насосе		К
10	Максимальное значение давления в КС		МПа
11	Оптимальное значение перепада давления на турбине		-
12	Оптимальное значение мощности турбины	NT	кВт	2182,054

Вывод

В ходе проделанной работы была разработана ПГС безгенераторной системы питания ЖРДУ с насосной подачей топлива. Определены основные параметры ТНА: мощность турбины, перепад давления на турбине, давление подачи окислителя и горючего на выходе из насосов, обороты ротора ТНА, величины подогрева окислителя и горючего в насосах. Графически определены оптимальные значения перепада давления и мощности турбины, а также максимальное значение давления в КС.

Расчеты показывают, что наибольшее возможное давление в камере невелико и при реальных значениях КПД насосов и турбины, соотношения компонентов и температуры водорода на выходе из охлаждающего тракта оно не может быть высоко.

Так как турбонасосный агрегат выполнен двухвальным, то в следствии этого КПД насоса горючего будет снижен на величину КПД редуктора, который находится в пределах 0,98-0,96.

Список литературы:

1. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования: изд. “Машиностроение”. Москва 1968.

2. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчёта ЖРД: Учеб. для авиац. спец. вузов. в 2 кн. Кн. 1.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк.,1993.- 383 с.: ил.

3. Тимнар И. Ракетные двигатели на химическом топливе. Изд. “Мир”. Москва 1990.

4. Козлов А.А., Новиков В.Н., Соловьев Е.В. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок: Учеб. для вузов: Изд-во Машиностроение,1998.-352 с.: ил.