Наддув баков.

Центробежные насосы ТНА для нормальной работы без кавитации тре­буют создания определенного давления на входе в насос:

р_вх ≥ р_Н ++ ∆р_з

Это давление определяется давлением насыщенных паров жидкости Р_Н, зависящим от вида жидкости и ее температуры, и скоростным напо­ром потока ρС²/2 на входе в крыльчатку насоса. Этот напор зависит от параметров и особенностей конструкции насоса — чем больше частота вращения, т.е. давление подачи, и меньше габаритные размеры насоса, тем выше будет скоростной напор на входе в колесо. Наоборот, тихоход­ный и крупногабаритный насос будет иметь меньший скоростной напор па входе. Составляющая ∆р_з — конструктивный запас.

Таким образом, если учесть гидравлическое сопротивление входной магистрали ∆Р_вх, то для бескавитационной работы насосов ТНА давле­ние на выходе из баков должно быть в соотношении

Р_б ≥ Рвх + ∆Рвх-

Это давление создается специальной "вытеснительной подачей, назы­ваемой системой наддува баков. Следовательно, при насосной подаче топлива ДУ имеет и вытеснительную подачу. Основное отличие систе­мы наддува от вытеснительной подачи топлива — небольшое давление в баках, которое редко превышает значение

р_б≤ (0,2...0,5) МПа.

При проектировании системы наддува баков большое внимание уде­ляется снижению ее массы. Поэтому важное значение придается всем техническим путям усовершенствования системы наддува, направлен­ным на снижение ее массы.

Схемы наддува баков можно классифицировать по способу полу­чения вытесняющего газа — рабочего тела системы наддува.

1. Газовый аккумулятор давления. Вытесняющий газ получается редуцированием сжатого газа высокого давления, находящегося в балло­не — аккумуляторе давления (рис.8, а) . Это наиболее простая, надежная и распространенная схема наддува баков. Сжатым газом служит азот или гелий. В отдельных случаях может быть и осушенный воздух.

На рис.8, б показана усовершенствованная схема. Здесь баллон со сжатым газом, например азотом или гелием, помещен в бак с криоген­ным компонентом, например в бак жидкого кислорода. Редуцированный холодный газ перед поступлением на наддув бака проходит через теплооб­менник. Последний установлен в выхлопной системе турбины ТНА, где газ подогревается до 500 ... 600 К.

Хранение сжатого газа при низкой температуре снижает необходимый объем аккумулятора давления, а подогрев в теплообменнике умень­шает расход, т.е. запас газа. Все это вместе взятое заметно уменьшает мас­су системы наддува баков.

2. Жидкостная испарительная схема наддува. Вытесняющий газ полу­чают из жидкого компонента путем его испарения в теплообменнике.

На рис.9, а показана схема, в которой для наддува служит жидкий азот. Последний хранится в специальном баке, откуда насосом, установ­ленном на ТНА, подается в теплообменник, встроенный в выхлопной узел турбины. Из теплообменника газообразный и подогретый азот через об­ратные клапаны поступает на наддув баков с окислителем и горючим.

На рис.9, б показана схема, в которой вытесняющий газ получается из основного криогенного компонента - кислорода или водорода, кото-

Рис.8. Схемы наддува баков с газовым аккумулятором давления:

а - простая вытеснительная схема; б - с хранением баллона со сжатым азотом (ге­лием) при низкой температуре криогенного компонента и с последующим его подог­ревом в теплообменнике

 

рые испаряются в теплообменнике, расположенном в газоотводе двигате­ля с дожиганием генераторного газа.

На рис.9, в показана схема, в которой вытесняющий газ — водород, используемый для наддува водородного бака, получается газификацией во­дорода в охлаждающем тракте камеры.

3. Газогенераторная схема наддува. Вытесняющий газ получается в специальных "наддувных" ЖГТ из основных компонентов топлива двига­теля. Наддув бака с окислителем требует получения окислительного ге­нераторного газа, а наддув бака с горючим — восстановительного.

На рис.10, а показана схема, в которой наддувный газогенератор является обычным ЖГГ. Особенность наддувных ЖГГ — более низкие температура газа и расход по сравнению с ЖГГ привода турбины дви­гателя без дожигания. Это создает определенные трудности в организа­ции рабочего процесса (рис.10,б).

На рис.10, в показана схема, в которой наддувный газ получает­ся в газогенераторе-смесителе. В качестве одного компонента исполь-

Рис.9. Испарительные схемы наддува баков:

а- получение вытесняющего газа из жидкого азота; б - получение вытесняющего газа из криогенных основных компонентов; в — получение газообразного водорода

для наддува - бака с водородом:

НА-насос азота (остальные обозначения см. на рис.4)

 

зуется генераторный газ, отбираемый из основного ЖГГ. Другим компо­нентом служит жидкое горючее, если основной генераторный газ — вос­становительный. При смешении жидкого компонента с основным газо­образным дополнительный жидкий компонент частично сгорает, а частич­но испаряется. В результате температура наддувного газа снижается до требуемой.

Рис.10. Газогенераторные схемы наддува баков:

а - типичная ПГС двигательной установки с газогенераторной схемой наддува; б —

схема двухкомпонентного наддувного ЖГГ; в - схема газогенератора — смесителя

наддува.

 

4. Безгазогенераторная схема наддува. При самовоспламеняющихся основных компонентах топлива вытесняющий газ наддува может полу­чаться непосредственно в самих баках. Для этого на поверхности жид­кости в баке одного компонента распыливается небольшое количество другого компонента. В результате химических реакций непосредственно в баке образуется необходимое количество газообразных продуктов, создающих заданное давление наддува.

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, здесь имеются свои труд­ности. Во-первых, конструктивное решение системы распыла противопо­ложного компонента должно обеспечивать постоянство ее расположения относительно поверхности расходуемого компонента. Во-вторых, жидкий компонент в баке, особенно к концу работы, загрязняется продуктами химических реакций, которые могут отрицательно повлиять на работу двигателя.

5.Схема наддува на основе твердотопливного газогенератора (ТГГ).

Вытесняющим газом служат продукты сгорания твердого топлива, на­ходящегося в ТГГ. Естественно, продукты сгорания для наддува бака окислителя должны иметь окислительную, а для наддува бака с горю­чим — восстановительную природу. Кроме того, их температура должна быть сравнительно низкой, приемлемой как для конструктивных эле­ментов баков, так и для жидких компонентов. Такая схема наддува при­ведена на рис.11.

Несмотря на простоту конструкции и очень хорошие массовые ха­рактеристики, эта схема наддува пока не получила большого распрост­ранения. Основная трудность — разработка рецептур твердых топлив, которые бы удовлетворяли всем требуемым характеристикам.

6.Схема наддува совместно с бустерным насосом. В последнее вре­мя стремление еще больше снизить массу двигательной установки привело

Рис.11. Наддув баков продуктами сгорания, получаемыми в твердотопливных газо­генераторах (ТГГ):

1- ТГГс окислительным генераторным газом; 2 - ТГГс восстановительным гене­раторным газом; 3 - клапан, поддерживающий давление в баке не свыше Р_{σ max}

 

Рис.12. Бустерный ТНА, установленныйнепосредственно на днище бака:

I -заборное устройство; 2 - входной клапан; 3 - осевой насос; 4 - выход из БТНА жидкого компонента; 5 - подвод жидкого компонента высокого давления к гидротурбине; 6 — гидротурбина

 

к большому распространению схемы наддува баков совместно с бустерными насосами, приводимых в движение турбиной и называемых бустерными турбонасосными агрегатами БТНА.

БТНА могут размещаться как непосредственно на днище бака (рис.12), так и непосредственно на входе в основной ТНА (рис.13). Бус-терные насосы создают повышенное давление на входе в основной ТНА "— до 1,5 ... 3,0 МПа. При таком давлении значительно улучшаются условия бескавитационной работы основного насоса — можно существенно увели­чивать скорость потока, уменьшая сечения подводящих трубопроводов и повышая частоту вращения крыльчатки. Благодаря этому современный ТНА становится быстроходной и малогабаритной машиной.

Вместе с этим сам бустерный насос, будучи тихоходной машиной (давление подачи у него сравнительно небольшое), для бескавитационной работы требует незначительного давления наддува, часто едва превышаю­щее давление насыщенных паров жидкости, что также, как показывает практика, позволяет заметно улучшить массовые показатели ДУ по срав­нению с ДУ без БТНА.

Турбины БТНА могут иметь привод:

а) жидким компонентом, забираемым за основным насосом ТНА и после срабатывания на гидротурбине привода, сбрасываемым на вход в основной насос ТНА, например, БТНА окислителя двигателя SSME (см. рис.12).

 

Рис.13. Бустерный ТНА, установленный непосредственно перед входом в основной ТНА:

1 - БТНА; 2 - основной ТНА; 3 - газовод отработанного генераторного газа в смесительную головку камеры; 4 - отбор генераторного газа на привод БТНА; 5 — рулевое сопло "крена"

 

б)газообразным компонентом, например водородом, который пос­ле срабатывания на турбине привода, направляется в систему газифициро­ванного основного расхода водорода, например, БТНА горючего двигате­ля SSME;

в)генераторным газом, отбираемым от основного ЖГГ. После сра­батывания на турбине привода газ может направляться в камеру на до­жигание либо использоваться для наддува бака и привода рулевых со­пел, например, управления креном (см. рис.13) .