Специальная часть

Сравнительный анализ основных параметров кислородно-керосинового двигателя тягой ~ 10 тс выполненного по схеме без газогенератора с охлаждением камеры кислородом и по замкнутой газогенераторной окислительной схеме

В данной работе проведено сравнение параметров кислородно-керосинового двигателя тягой ~ 10 тс выполненного по схеме без газогенератора с охлаждением камеры кислородом и по замкнутой газогенераторной окислительной схеме.

Основные параметры замкнутой газогенераторной окислительной схемы рассмотрены в пояснительной записке дипломной работы и в специальной части не приведены.

Работы по реализации схем с охлаждения камеры кислородом проводятся не только на КБХА, но в ФГУП «Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша», РКК Энергия.

В РКК «Энергия» проведен ряд экспериментальных исследований подтверждающих возможность безаварийного использования в качестве охладителя камер сгорания кислород.

Описание принципа работы схемы без газогенератора с охлаждением кислородом представленной на рисунке 2:

турбина ТНА приводится во вращение газообразным кислородом, подогретым в тракте охлаждения камеры. Гидравлические турбины БТНАГ и БТНАО питаются компонентами, отбираемыми за насосами ТНА. Система регулирования двигателя включает регулятор и дроссель. Регулятор обеспечивает перевод двигателя на заданный режим работы по тяге, изменяя расход кислорода в линии перепуска газа в обвод турбины ТНА по командам системы управления. Дроссель изменяет соотношение компонентов топлива через двигатель за счет регулирования расхода горючего в камеру. Управление регулятором и дросселем осуществляется электрическими приводами.

Для обеспечения минимального гидросопротивления тракта охлаждения камеры применена двухконтурная схема охлаждения. Также в области критического сечения реализуется максимум теплофизических свойств кислорода

Коллектор подвода кислорода на охлаждение камеры располагается на входной части сопла. Расход на охлаждение цилиндрической части камеры составляет ~ 65% от общего расхода кислорода. Соотношение компонентов топлива в камере для двигателя на компонентах топлива О₂+керосин равно Кm = 2, 5. Соотношение компонентов в пристеночном слое согласно эксперименту определено как 0, 8·Кm. Для равномерной головки пристенок имеет повышенное содержание горючего и в нашем случае для камеры на компонентах топлива О₂+керосин Кпс = 2, 0. На стенке имеет место избыток компонента находящегося на внешнем конусе распыла форсунки при равномерной головке. Определены параметры камеры с нанесением оребрения высотой 0, 4 мм со стороны газа на поверхность цилиндрической части камеры. Для двигателя на компонентах топлива О₂+керосин с оребрением длина цилиндра 605 мм.

Таблица 1 - Характеристики камеры на компонентах топлива кислород+керосин

При нагреве кислорода в тракте охлаждения до 540 ± 40 К суммарное гидросопротивление равно ~ 50 кгс/см².

При указанных в таблице 1 характеристиках камеры проведен расчет эквивалентного по тепловому состоянию варианта с завесным охлаждением и повышенным соотношением компонентов топлива. В результате расчета получено: относительный расход горючего на завесное охлаждение 1, 2 %; соотношение компонентов топлива 2, 68. Основные параметры экономичности камеры на компонентах топлива кислород+керосин при диаметрах выходного сечения сопла 880 мм для варианта с завесным охлаждением - в таблице 2.

Таблица 2 – Основные параметры камеры на компонентах топлива кислород+керосин (завесное охлаждение)

Наименование параметра	Значение параметра
Диаметр выходного сечения сопла Da, мм;
Тяга в пустоте Рп, кгс
Давление в камере, рк, кгс/см2
Массовый расход топлива , кг/с	28, 56
Соотношение компонентов топлива, Кm	2, 68
Относительный расход горючего на завесу , %	1, 2
Соотношение компонентов топлива у головки КГ	2, 8
Диаметр минимального сечения D*, мм	67, 4
Длина расширяющейся части сопла , мм
Геометрическая степень расширения сопла	90.5
Характеристическая скорость С*, кгс× с/кг
Теоретический удельный импульс тяги , кгс× с/кг	370, 6
Удельный импульс тяги в пустоте , кгс× с/кг	350, 1
Коэффициент удельного импульса	0, 9446
Коэффициент потерь удельного импульса из-за несовершенства процесса смесеобразования	0, 974
Коэффициент регенерации	1, 004
Коэффициент газодинамических потерь	0, 966

В таблице 3 приведены основные параметры двигателя на номинальном режиме.

Схема двигателя приведена на рисунке 2.

Выводы:

1. Безгенераторная схема надежней генераторной схемы ЖРД, так как реализуется более простотой принцип работы (отсутствует газогенератор) и температура на турбине безгенераторной схемы ниже температуры генераторной схемы на 220 К.

2. При использовании безгенераторной схемы охлаждаемой кислородом возможно получение более высокого удельного импульса тяги двигателя за счет отказа от завесного охлаждения, поэтому снижение давления в камере сгорания двигателя, а, следовательно, и уменьшение степени расширения сопла приводит к несущественному снижению удельного импульса тяги двигателя в сравнении с генераторной схемой.

3. К недостаткам безгенераторной схемы охлаждаемой кислородом можно отнести малую изученность процессов охлаждения камеры двигателя кислородом.

4. Также можно отметить особенность характерную для безгенераторных схем, для подогрева охладителя до необходимой температуры цилиндр камеры сгорания, как правило, удлиняют, чтобы увеличить площадь теплообмена. Это приводит к тому, что камера безгенераторного двигателя длиннее камеры генераторного ЖРД.