Газогенераторный цикл

Газогенераторный цикл — это схема построения двигательной установки, в которой рабочее тело для привода турбины топливного насоса (турбонасосного агрегата, ТНА) вырабатывается в отдельном газогенераторе. Этот газ, как правило, с высокой температурой и давлением, подаётся на турбину и после совершения работы выбрасывается через выхлопное сопло или направляется в камеру сгорания. Газогенераторные циклы широко применяются в ракетных двигателях, а также в некоторых типах газотурбинных установок и автомобильных газогенераторах.

История

Принцип раздельного генерирования газа для привода турбины впервые был реализован в начале XX века. Одним из первых практических применений стали газогенераторные установки на автомобилях, работавших на древесном топливе, которые получили распространение в 1930–1940-х годах, особенно во время Второй мировой войны из-за дефицита бензина. В СССР такие установки использовались на грузовиках УралЗИС и ГАЗ.

В ракетной технике газогенераторный цикл был применён в двигателях, разработанных Вернером фон Брауном для ракет «Фау-2» (V-2). Дальнейшее развитие он получил в двигательных установках советской космической программы. В частности, ракетные двигатели РД-107/108 (разработчик — ОКБ-456, ныне НПО Энергомаш имени В. П. Глушко) использовали газогенераторный цикл и обеспечили запуск первого искусственного спутника Земли и полёт Ю. А. Гагарина. Крупнейшим примером является американский двигатель F-1 на ракете «Сатурн-5» (программа «Аполлон»), также работавший по этой схеме.

Основные типы газогенераторных циклов

В ракетных двигателях различают два основных варианта газогенераторного цикла: без дожигания генераторного газа (открытый цикл) и с дожиганием генераторного газа (замкнутый цикл). Также существуют модификации для газотурбинных установок.

Открытый газогенераторный цикл

В этом варианте газ, прошедший через турбину ТНА, выбрасывается непосредственно в атмосферу или космическое пространство. Он не поступает в камеру сгорания. Преимущества — относительная простота конструкции и надёжность. Недостаток — снижение удельного импульса из-за потерь энергии с выхлопным газом, который не участвует в создании тяги. Примеры: двигатели F-1, РД-107, лётный вариант РД-180 для первой ступени ракеты «Атлас V» (США, разработчик — НПО Энергомаш).

Замкнутый газогенераторный цикл (с дожиганием)

Газ из газогенератора после привода турбины подаётся не в выхлоп, а в камеру сгорания, где дожигает дополнительное топливо. Это позволяет использовать всю энергию генераторного газа для создания тяги, повышая удельный импульс на 10–15%. Однако этот цикл конструктивно сложнее и требует точного согласования параметров потоков. Примеры: советский двигатель НК-33 (ОКБ Кузнецова, ныне ПАО «Кузнецов»), американский двигатель RS-68 (для ракеты Delta IV), а также двигатель BE-4 (компания Blue Origin).

Многоступенчатые и комбинированные схемы

В некоторых установках (например, в газотурбинных двигателях с регенерацией тепла) применяют последовательную подачу газа через несколько турбин или комбинируют газогенераторный цикл с внешним сжиганием топлива в камере сгорания. Эти схемы сложны и используются редко, в основном в стационарных энергоустановках.

Устройство и принцип работы

Основные элементы газогенераторного цикла:

1. Газогенератор — камера сгорания или иной аппарат (например, реактор для разложения перекиси водорода), где вырабатывается газ. В ракетных двигателях он обычно работает на том же топливе, что и основная камера, но может иметь и независимую систему подачи.

1. Турбонасосный агрегат (ТНА) — роторная машина, на вал которой посажены турбина (приводимая газом) и насосы (подающие топливо и окислитель в камеру сгорания). Выходной вал вращается с высокой скоростью — до 30 000–40 000 об/мин.

1. Система управления — клапаны, регуляторы и датчики, обеспечивающие точное соотношение компонентов и давление газа.

Принцип работы:

• Топливо и окислитель (например, керосин и жидкий кислород) подаются в газогенератор, где воспламеняются.
• Образовавшийся высокотемпературный газ (до 1200–1500 К) под давлением поступает на лопатки турбины ТНА.
• Турбина приводит во вращение насосы, которые закачивают топливо в камеру сгорания.
• Газ, отработавший на турбине (с пониженным давлением), выбрасывается наружу (открытый цикл) или направляется в камеру сгорания для дожигания (замкнутый цикл).

Применение

Ракетные двигатели

Газогенераторные циклы (главным образом открытые) используются в мощных жидкостных ракетных двигателях первой ступени носителей. Благодаря возможности сжигать компоненты с избытком одного из них (нестехиометрически) и высокой надёжности они остаются стандартным решением для десятков типов ракет. Примеры: РД-180 (Россия), F-1 (США), двигатели ракет «Ариан-5» (Европа) и H-IIA (Япония). Замкнутые циклы применяются в двигателях многоразовых систем (например, RS-68 на Delta IV, а также в перспективных российских двигателях, таких как РД-191 и РД-180М).

Автомобильные газогенераторы

До середины XX века газогенераторные установки на древесном топливе (дрова, уголь) устанавливались на грузовики и автобусы. Они вырабатывали генераторный газ (смесь CO, H₂, N₂), который подавался в двигатель внутреннего сгорания. Машины с такими установками эксплуатировались в СССР (УралЗИС-5М, ГАЗ-АА) и в ряде европейских стран. В наше время они редки.

Газотурбинные установки

В стационарных газовых турбинах (например, для электростанций) газогенераторный цикл реализован в простейшем виде: компрессор приводится турбино-компрессорным агрегатом, а рабочий газ (продукты сгорания) выбрасывается в атмосферу. Однако обычно такие установки относят к контуру «Брайтона», а термин «газогенераторный цикл» применяется редко.

Промышленные газогенераторы

Газогенераторы для получения горючего газа из угля или биомассы (газификаторы) работают по разомкнутому циклу: газ вырабатывается, очищается и подаётся в потребитель (котельную, двигатель, печь). Эта технология используется в химической промышленности и энергетике (например, на заводе «Атомэнергомаш» в России).

Преимущества и недостатки

Преимущества открытого цикла:

• Высокая надёжность, простота регулировки.
• Возможность использования нестехиометрических смесей (богатая газогенераторная смесь снижает температуру и продлевает ресурс турбины).
• Меньшая стоимость и меньший вес конструкции (по сравнению с замкнутым циклом).

Недостатки открытого цикла:

• Потеря до 10–15% энергии с выхлопным газом из-за низкого давления (не используется для тяги).
• Удельный импульс ниже, чем у замкнутых схем.

Преимущества замкнутого цикла:

• Выше КПД и удельный импульс на 5–15%.
• Отработанный газ не выбрасывается — вся энергия утилизируется.

Недостатки замкнутого цикла:

• Конструкция сложнее (требуются высокотемпературные камеры, высокие давления).
• Сложность статической балансировки и синхронизации потоков.
• Выше риск повреждения турбины при отклонениях режима.

Источники

• Фаворский О. Н., Верба М. И. Основы теории ракетных двигателей. — М.: Машиностроение, 1983.
• Хрусталёв В. И., Кузнецов И. С. Газогенераторные установки на автомобильном транспорте. — М.: Гострансиздат, 1942.
• Двигатели РД-107/108 и их модификации // Официальный сайт НПО Энергомаш имени В. П. Глушко. — 2015.
• Sutton G. P., Biblarz O. Rocket Propulsion Elements. — 8th ed. — Wiley, 2010.
• Космонавтика: Энциклопедия / под ред. В. П. Глушко. — М.: Советская энциклопедия, 1985.
• Газогенераторный цикл // Энциклопедия «Авиация и космонавтика». — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994.