Раскрутка турбонасосного агрегата

Одной из ответственных операций запуска является включение или раскрутка ТНА. Эта операция — центральная при запуске двигателя с насосной подачей топлива. Успешное ее осуществление обеспечивает вклю­чение всех систем в работу.

Приемов и методов раскрутки ТНА много. Все они могут классифи­цироваться по следующим схемам раскрутки:

1. от основного ЖГГ;

2. от специального стартового газогенератора;

3. от специальной стартовой турбины;

4. от сжатого газа.

Раскрутка ТНА от основного ЖГГ — достаточно распространенная схема. Главное в этой схеме — включить, или "запустить" ЖГГ двигателя. Существует несколько вариантов схем включения ЖГГ:

1. На рис.17, а показана схема, в которой в момент запуска в ЖГГ
поступают пусковые компоненты топлива из специальных пусковых бал-
ионов, имеющих вытеснительную подачу. После раскрутки ТНА и подъ­ема давления за насосами работа ЖГГ переключается на питание от основ­ных трубопроводов, а пусковая система отключается. По этой схеме рас­кручивается, например, ТНА двигателя РД-219.

Эта схема позволяет обеспечить многократный запуск. Для этого достаточно сделать пусковые баллоны нужной вместимости или их дозаправку после запуска.

2. Разновидностью этой схемы запуска основного ЖГГ является схема,
представленная на рис.17, б. Здесь вместо пусковых баллонов для компо­нентов установлены пусковые поршневые насосы — цилиндры с поршнями и соответствующей автоматикой. При запуске давление газа воздействует на поршень и вытесняет пусковые расходы компонентов в ЖГГ. После перехода ЖГГ на питание от основных трубопроводов автоматика обеспечивает заполнение цилиндров новой порцией компонентов.

Таким образом, эта схема может обеспечить не только многократный запуск в полете, но и запуск в невесомости. По этой схеме многократно i.'iпускается в невесомости корректирующе-тормозная двигательная уста­новка КТДУ-35, разработанная в ОКБ A.M. Исаева и применяемая на кос­мических кораблях "Союз" и орбитальной станции "Салют".

Работа поршневого насоса должна быть исключительно надежной, так как в случае незапуска повторный запуск невозможен, так как пус­ковые компоненты полностью расходуются при первой попытке.

3. Наиболее простая разновидность схемы включения основного ЖГГ в работу — подача пусковых расходов компонентов в основной ЖГГ от наземных систем. Этот способ раскрутки ТНА подходит для двигателей первой ступени РН. Например, такая схема запуска основного ЖГГ осу­ществлена на двигателях РН "Восток" (рис. 17, в).

Рассмотренные схемы раскрутки ТНА применяются главным образом

Рис.17. Схемы раскрутки ТНА от основного ЖГГ, в котор? «й поступают пусковые расходы компонентов:

а - из пусковых бачков; б - из пусковых поршневых насосов; в - от наземной сис­темы

в двигателях без дожигания генераторного газа, в которых расход генераторного газа достаточно мал. В схемах двигателей с дожиганием, как известно, через ЖГГ и турбину ТНА проходит значительный расход — несколько больше расхода одного из компонентов. В этом случае приве­денные выше схемы раскрутки ТНА потребуют также значительных пус­ковых расходов. Это приведет к большому росту массы и габаритных размеров пусковых устройств. Здесь лучше подходит следующая простая схема.

4. Пусковые расходы в основной ЖГГ поступают по основным трубо­проводам под действием гидростатического давления и давления наддува баков. Это распространенная схема так называемого самопуска или "самотека" пусковых расходов компонентов. Она наиболее пригодна для 'I.питателей с дожиганием генераторного газа.

В этой схеме каких-либо специальных пусковых систем нет. В этом ее главное преимущество. После заливки полостей насосов жидкими ком­понентами открываются главные клапаны. Компоненты под действием гидростатического давления столба жидкости в поле земного или ди­намического ускорения и давления наддува в баках устремляются по трак-гам в ЖГГ и камеру. Причем ввиду более короткого пути, и благода­ря специальным конструктивным и схемным решениям (если это необ­ходимо) первыми компоненты поступают в ЖГГ. После начала горения и ЖГГ генераторный газ поступает на турбину и далее по газоводу в ка­меру. Так как в камере сгорания еще нет противодавления, поскольку горение в ней еще не установилось, то турбина ТНА довольно быстро раскручивается, плавно поднимая давление подачи компонентов до но­минальных значений. Ввиду простоты технического решения схема "само­пуска" получила большое распространение. Тем более, что эта схема обес­печивает также и многократный запуск в полете. По такой схеме осущест­вляется запуск двигателей РД-253, SSME и др.

Раскрутка ТНА по этой схеме наиболее пригодна для двигателей с дожиганием генераторного газа. Запуск двигателя без дожигания встречает определенные трудности. Это объясняется тем, что турбина ТНА двигателем без дожигания работает на большом перепаде давления, но с малым расходом генераторного газа. Поэтому если никаких конструктивных мер не принимать, то при подаче компонентов топлива на режиме "самотека" в ЖГГ в начальный период в нем образуется очень мало генераторного i аза и создается очень малое давление. Во многих случаях этого недостаточ­но: турбина либо очень медленно раскручивается, либо даже не страгивает­ся с места.

Однако преимущества раскрутки ТНА "самопуском" столь велики (техническая простота, многоразовость пуска и плавность выхода на ре­жим), что возникает необходимость приспособить эту схему запуска и для двигателя без дожигания. Для этого путем конструктивных мероприятий необходимо решить две задачи:

а) организовать специальную пусковую линию подачи компонентовв ЖГТ, по которой при малом давлении подачи поступал бы больший их расход;

б) установить специальные "дозвуковые" пусковые сопла на турби­не, которые бы более эффективно работали в пусковой период.

Естественно, схема пуска несколько усложняется, вводятся дополни­тельные конструктивные элементы, а также клапаны и их автоматика. Зато принцип самопуска ТНА и всего двигателя оказывается вполне при­годным и для двигателя без дожигания. Например, американский двига­тель F-1 (без дожигания) запускается по этой схеме.

Раскрутка турбины ТНА от стартерного газогенератора — это рас­пространенная схема пуска одноразовых двигателей без дожигания ге­нераторного газа. Здесь турбина ТНА оборудована специальным — стартерным ТГГ, как показано на рис.18.

Рис.18. Схема раскрутки ТНА от стартерного ТГГ

По соответствующей команде твердое топливо в ТГГ воспламеняется, и его продукты сгорания обычно устремляются через свой пловой ап­парат на турбину и быстро ее раскручивают. Давление компонентов за насосами повышается, и по достижении определенного значения включаются клапаны подачи основных компонентов в ЖГГ.

Причем, если ком­поненты несамовоспламеняющиеся, то предварительно должно включаться зажигание в ЖГГ.

Стартовый ТГГ обычно работает в течение 1,2..Л,5 с. Этого времени вполне достаточно, чтобы раскрутить турбину и включить в работу основ­ной ЖГТ, на котором завершается выход двигателя на режим.

Эта схема раскрутки вполне надежная, и поэтому она довольно рас­пространена, особенно для запуска двигателя со сравнительно небольшой тягой (Р < 100...150 кН). Причем, если на турбине установить несколь­ко стартерных ТГГ, например 2..А, то можно осуществить соответствен­но 2...4-кратный запуск в полете.

Раскрутка стартерным ТГГ турбины ТНА двигателя с дожиганием по приведенной схеме практически не применяется. Это объясняется тем, что турбина ТНА двигателя с дожиганием, как уже сказано, дозвуковая с парциальностью, равной единице. Она работает на малом относительном перепаде давлений, но с большим расходом рабочего тела. Для раскрутки такой турбины стартерным ТГГ необходимо конструктивно "встроить" специальный сопловой аппарат с высоким перепадом давлений. Однако о о не очень легко сделать на практике. Кроме того, пороховые продукты сгорания, проходя после турбины по газоводу и далее через форсунки смесительной головки, могут их повредить, например засорить. Наконец, пороховые газы ТГГ имеют коэффициент избытка окислителя а < 1, и при поступлении основного окислительного генераторного газа произой­дет их догорание с соответствующим, хотя и кратковременным, повыше­нием температуры. Поэтому такой способ раскрутки турбины двигателя с дожиганием не применяется. Это проще осуществить с помощью специ­альной стартовой турбины.

Раскрутка ТНА от специальной стартовой турбины. В этой схеме на оси ТНА конструктивно установлен специальный стартовый блок - тур­бина с ТГГ. Ось стартовой турбины соединяется с осью ТНА через муф­ту сцепления (рис.19). Работа схемы состоит в следующем. После вклю­чения ТГГ раскручивается стартовая турбина, которая через муфту сцеп­ления раскручивает ТНА. По достижении определенной частоты вращения и включении основного ЖГГ в работу муфта сцепления автоматически отключает стартовую турбину.

Эта схема раскрутки ТНА двигателя с дожиганием достаточно надеж­на и обеспечивает быстрый (1,5...2,0 с) запуск двигателя. Если стартерный блок оборудовать несколькими ТГГ, то можно обеспечить и многократ­ный запуск в полете. Для устройства многоразового запуска со многими пусками удобно вместо ТГГ применить стартерный ЖГГ, питаемый пус­ковыми компонентами из специальных баллонов или поршневых насосов, по схеме многоразового запуска двигателя без дожигания (см. рис.17 и 18).

Раскрутка турбины ТНА сжатым газом - это наиболее простая и надеж­ная схема запуска. От бортовой сети или наземного оборудования сжатый газ поступает в газовод основного ЖГГ и, пройдя через сопловой аппарат турбины, ее раскручивает.

Основной недостаток этой схемы — большой расход газа (в 2...3 раза больший, чем расход генераторного газа). При запуске двигателя первой ступени РН от наземной системы это не так важно. Однако при запуске двигателя от бортовой сети (вторая и последующие ступени) для раскрут­ки турбины на борту должен быть достаточный запас газа. Если требует­ся осуществить только один запуск, то это может быть не так обремени­тельно, но при нескольких запусках масса системы газового аккумулято­ра для сжатого газа становится слишком большой.