Системы питания ЖРД с турбонасосной подачей топлива

Насосная система подачи предназначена для повышения давления компонентов топлива в КС и ЖГГ. Системы питания ЖРД с турбонасосной подачей топлива разделяют на два типа:

1) с автономной (независимой) турбиной; газ после турбины выбрасывается в атмосферу или идет на вспомогательные устройства;

2) с предкамерной турбиной; газ после турбины подается в камеру сгорания для дожигания.

В системах ЖРД с автономной турбиной отработавший на турбине газ («мятый» газ) отводится через выхлопной коллектор и далее через выхлопной патрубок. Выхлопной патрубок подсоединяется к выхлопному коллектору с помощью фланцевого или сварного соединения. Выхлопной патрубок представляет собой тонкостенный трубопровод, оканчивающийся расширяющимся соплом. Его выходное сечение обычно размещают на уровне выходного сечения сопла основных камер сгорания ЖРД.

В системах подачи с предкамерной турбиной отвод «мятого» газа осуществляется через газовод. Газоводом ЖРД является толстостенный трубопровод, соединяющий выхлопной коллектор турбины с головкой камеры сгорания. Двигатели, работающие по схеме «газ – газ», имеют два газовода.

Системы питания ЖРД с автономной турбиной. Развитие ЖРД началось с двигателей, выполненных по схеме с автономной турбиной. Газ для турбины получают в специальном газогенераторе. Наиболее распространенной схемой является схема, в которой газогенератор работает на основных компонентах топлива. В этой схеме небольшая часть компонентов топлива после насосов направляется в газогенератор, а основная часть – в камеру сгорания.

При создании газогенераторов, работающих на основных компонентах топлива, в свое время возникали существенные трудности. Поэтому до 60-х годов были распространены ЖРД с однокомпонентным газогенератором (рис. 3.4), в котором использовалось вспомогательное топливо (перекись водорода).

Рис. 3.4. Схема системы питания ЖРД с насосной подачей однокомпонентного топлива в газогенератор автономной турбины: 1 – аккумулятор давления; 2 – редукционные клапаны; 3 – баки с рабочими компонентами; 4 – насосы рабочих компонентов; 5 – насос однокомпонентного топлива; 6 – бак с топливом для турбины; 7 – газогенератор; 8 – турбина

Схема питания ЖРД с автономной турбиной и газогенератором, работающим на основных компонентах топлива, приведена на рис. 3.5. В этой схеме газ после турбины используется для испарения части компонента топлива, идущего на наддув бака. Наддув бака можно осуществить также газом, отбираемым после турбины. Температура турбинного газа на выходе турбины . Такая температура является допустимой для конструктивных элементов, выполненных из жаропрочных сталей. Наддув бака турбинным газом возможен только при условии, если в баке находится тот же компонент топлива, на избытке которого работает газогенератор.

Во всех схемах питания ЖРД с автономной турбиной импульс тяги двигателя снижается из-за неэффективных затрат топлива на создание генераторного газа, выбрасываемого после турбины за борт ракеты с малой скоростью. Чтобы повысить экономичность ЖРД с автономной турбиной, её проектируют на малый расход газа.

Известно, что работоспособность турбинного газа определяют три параметра: расход, температура и давление газа. С помощью этих параметров можно получить потребную мощность турбины, равную суммарной мощности насосов турбонасосного агрегата.

Малорасходная автономная турбина имеет ограничения по температуре турбинного газа (по условию жаропрочности неохлаждаемой турбины). Таким образом, требуемая энергия турбинного газа может быть получена за счет давления. Поэтому при высоком давлении газа на входе автономной турбины и небольшом давлении на выходе колеса турбины (обычно 0,2–0,5 МПа) автономные турбины получаются высокоперепадными. Степень снижения давления на колесе турбины составляет .

Перепад давления на колесе автономной турбины, а также расход турбинного газа находятся в зависимости от тяги двигателя и давления в камере сгорания. Обычно расход газа автономной турбины составляет 2–6 % от общего расхода топлива КС. Примерно на столько же падает удельный импульс тяги двигателя с автономной турбиной в результате выброса турбинного газа в атмосферу.

Рис. 3.5. Схема ЖРД с автономной турбиной и теплообменником, в котором используется тепло выхлопных газов турбины для испарения компонента топлива, идущего на наддув бака: 1 – аккумулятор давления; 2 – редукционные клапаны; 3 – баки; 4 – насосы; 5 – газогенератор; 6 – турбина; 7 – камера сгорания; 8 – регулятор тяги; 9 – теплообменник; 10 – клапан; 11 – обратный клапан