Демидов В.И., Сухов А.В., Щербаков А.А. - Общие сведения о топливах двигателей летательных аппаратов

Министерство высшего и среднего специального образования СССР

Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана

В . И. ДЕМИДОВ, А. В. СУХОВ, А А. ЩЕРБАКОВ

Утверждено редсоветом МВТУ как учебное пособие

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВАХ ДВИГАТЕЛЕЙ

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Учебное пособие

«Рабочие процессы двигателей летательных аппаратов»

Под редакцией Щербакова А. А.

Москва 1984

I. Общие понятия и определения

В современных двигателях летательных аппаратов (ДЛА) энер­гия движения аппарата получается в результате преобразования химической, атомной (ядерной), электрической или других видов энергии.

В ДЛА, использующих химическую энергию, в камере сгорания протекает экзотермические химические реакции. Образующиеся при этом высокотемпературные продукты реакций, расширяясь, истекают через сопло двигателя с большой скоростью, создавая тягу. Воз­можны другие способы преобразования тепловой энергии продуктов химических реакций, в частности: привод турбин, вращающих вин­ты или водяные насосы, нагрев в теплообменниках специальных ра­бочих тел двигателей и др. Но общим для этого типа двигателей является использование химической энергии топлива.

В ядерных ДЛА тепло, выделяющееся в результате деления ядер, например урана, используется для нагревания газообразного рабочего тела, которое при истечении через сопло создает тягу, необходимую для движения аппарата. Возможны и иные способы пре­образования ядерной энергии в энергию движения летательных аппа­ратов.

В электротермических или плазменных двигателях используется для создавая тяги кинетическая энергия расширяющегося в соп­ле ионизированного газа - плазмы.

Наибольшее практическое применение в настоящее время имеют двигатели, использующие химические топлива. Поэтому в данном учебном пособии рассматриваются только химические источники энергии.

Химическим топливом называется вещество (или совокупность веществ), обладащее запасом энергии, которая может быть прев­ращена в камере сгорания в результате протекания химических реакций в тепловую энергию газообразных продуктов и далее в энергию движения аппарата,

Тепловая энергия в камере сгорания может выделяться в ре­зультате протекания таких химических реакций, как:

I. Реакции разложения. Эти реакции протекают с наиболее низкам уровнем выделения тепла - в среднем 2,5...3,3 МДж/кг. Топливами, которые выделяют энергию в результате разложения, мо­гут служить вещества, образование которых идет с поглощением энергии. Использование данных химических топлив в основных двигателях летательных аппаратов нецелесообразно из-за малых зна­чений удельного импульса тяги. Но сравнительно низкий уровень температуры продуктов разложения делает возможным использование этих топлив в газогенераторах турбонасосных агрегатов, в двига­телях специального назначения.

2. Окислительно-восстановительные реакции. При их протека­нии выделяется значительно большее количество тепла, чем при протекании химических реакций разложения: 8,3... 12,5 МДж/кг. Это определило наиболее широкое использование в большинстве типов ДЛА химических топлив, при горении которых в камере сгорания протекают окислительно-восстановительные реакции.

Процесс окисления условно может быть представлен как обмен электронами на внешней электронной оболочке атомов, участвующих а этом процессе. При этом атомы горючих элементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретают их. Круг веществ, между которыми протекают окислительно-восстановительные экзотермические реакции, очень широк. В большинстве случаев эти реакции протекают между двумя или несколькими индивидуаль­ными веществами. Наиболее широкое распространение получили двух­компонентные топлива, в которых одно вещество выступает в роли горючего, второе - в роли окислителя. Эти топлива называют так­же топливами раздельной подачи. Возможно использование топлива, в котором окислитель и горючее находятся в связанном состоянии в виде одного сложного вещества. Такие топлива, жидкие или твер­дые, называются одкокомпонентными, или унитарными, топливами.

Окислителем называется вещество или система веществ, содер­жащая в своем составе преобладающее количество окислительных элементов (кислород, фтор, хлор и др.). Примерами могут служить газообразный или жидкий кислород, фтор, азотная кислота, нитрат калия и др.

Горючим называется вещество или система веществ, содержа­щая в своем составе преобладающее количество горючих элементов (водород, углерод, металлы). В качестве горючих наиболее широко используются углеводородные горючие (керосины), азотосодержащие углеводородные горючие (амины, диметилгидразин), азотово-дородные горючие (гидразин, аммиак), водород, металлы (магний, алюминий и др.).

3. Реакции ассоциации (рекомбинация). Это реакции воссоединения одноименных атомов или свободных радикалов в молекулы. По уровню выделения энергии некоторые реакции ассоциации не уступают, а даже существенно превосходят окислительно-восстановительные. Реакции протекают по схеме: свободные радикалы или ве­щества в атомарном состоянии -> молекулярное (устойчивое) сос­тояние вещества + тепло. Однако реализация ассоциации в ДЛА представляет сложную проблему из-за крайней неустойчивости ве­ществ в атомарном состоянии. Только после освоения методов "хра­нения" и промышленного производства веществ в атомарном состоя­нии можно рассматривать их как реальные топлива.

2. Классификация химических топлив ДЛА

Составить полную классификацию химических топлив ДЛА пред­ставляется сложным ввиду того, что они могут быть образованы ши­роким кругом веществ, который постоянно увеличивается. Исполь­зуются эти вещества в различных сочетаниях в зависимости от тре­бований, предъявляемых к двигателям. Кроме того, некоторые ЛА имеют двигатели, использующие топлива, одним из компонентов ко­торых, чаще всего окислителем, служит окружающая среда (воздух, вода).

Поэтому представленная ниже классификация химических топлив самая общая, в которую мы ввели топлива двигателей, исполь­зующих окружающую среду.

В литературе можно найти и другие методы классификации топлив ДЛА: по типу химических реакций, по роду окислителя, по способу подачи и т.д.

В приведенной выше классификации химические топлива раз­биты на четыре группы по виду агрегатного состояния их компонентов, что в большинстве случаев определяет конструктивные особенности двигателя.

К первой группе отнесены топлива с газообразными компонен­тами. Двухкомпонентные газообразные топлива нецелесообразно ис­пользовать на борту летательного аппарата в качестве основных топлив ввиду их малой плотности. Поэтому они в основном приме­няются в качестве вспомогательных топлив при наземных отработ­ках двигателей или их отдельных агрегатов.

Большую группу топлив составляют вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии. Одно из важных преимуществ жидких топлив помимо их высокой энергоемкости - возможность управления подачей жидких компонентов в камеру сгорания, что позволяет соз­давать двигатели с тягой от долей килограмма до нескольких со­тен тонн, а также управлять работой двигателя при движении изде­лия. Однокомпонентные унитарные жидкие топлива, в которых реали­зуются реакции окислительно-восстановительные, не нашли приме­нения из-за их высокой взрывоопасности. Используются жидкие унитарные топлива, дающие высокотемпературные газообразные про­дукты разложения. К ним относятся, в частности, перекись водоро­да, гидразин. Техническое применение они получили в качестве вспомогательных топлив для генерации рабочего тела на привод турбин гидронасосных агрегатов, наддува баков и для работы спе­циальных двигателей малых тяг. Жидкие двухкомпонентные топлива, или топлива раздельной подачи, нашли наиболее широкое применение, поскольку они обладают большей энергоемкостью и тем самым обеспе­чивают двигателю достаточно высокие удельные параметры.

Раздельное "хранение" на борту ЛА и раздельная их подача в камеру сгорания позволяют использовать наиболее высокоэнергетические топливные пары, в том числе криогенные компоненты ("сжиженные газы"). Правда, использование двух компонентов тре­бует в конструкции двигательной установки наличия двух практически идентичных гидросистем, систем подачи, управления, что де­лает этот двигатель более сложным, чем в случае использования жидкого унитарного топлива. Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся, что опреде­ляет характер запуска двигателя. Самовоспламеняющиеся топлива обеспечивают начало горения (начало окислительно-восстановительных реакций) в момент контакта окислителя и горючего в ка­мере сгорания. Несамовоспламеняющиеся топлива требуют при запус­ке двигателя какого-либо средства воспламенения (теплового, хи­мического). В этом смысле использование самовоспламенящихся топлив проще обеспечивает многократное включение двигателя при движении летательного аппарата, что в ряде случаев является важной характеристикой двигательной установки. Существенными конструктивными и эксплуатационнымии особенностями различаются двигатели с использованием низкокипящих (криогенных) топлив или отдельных их компонентов и высококипящих топлив.

Третью группу составляют топлива, находящиеся на борту ле­тательного аппарата в твердом агрегатном состояний - твердые топлива. Они по своему существу являются унитарными топливами, поскольку содержат в своей массе все вещества, необходимые для протекания экзотермических реакций разложения или окислительно-восстановительных реакций между веществами, одно из которых является окислителем, другое горючим.

Твердые топлива получили широкое применение и обусловили создание большого класса двигателей летательных аппаратов. Ис­пользование твердых топлив позволяет создать более простой по конструкции двигатель, что определяется, в частности, наличием ва борту единого унитарного топлива и отсутствием необходимости в специальной системе подачи. Однако использование твердого топ­лива усложняет управление работой двигателя, создание двигателя с многоразовым запуском, а также обеспечение высоких удельных характеристик путем использования в оптимальном соотношении высокоэнергетических компонентов, входящих в рецептуру топлива, поскольку окислитель и горючее постоянно находятся в контакте в теле твердого топлива.

Четвертую группу представляют топлива смешанного агрегатно­го состояия, например, твердо-жидкое топливо, в котором один из компонентов находится в твердом агрегатном состоянии (горю­чее), другой - в жидком (окислитель). Особенно интересным пред­ставляется использование для летательных аппаратов, движущихся в пределах атмосферы, топлива, в котором окислителем служит воз­дух, и аппаратов, движущихся под водой топлива, в котором окис­лителем служит забортная вода. Удельные характеристики этих ле­тательных аппаратов существенно повышаются, поскольку на борту размещается лишь один компонент - горючее (в жидком или твердом агрегатном состоянии).

3. Основные характеристики химических топлив

Для проведения энергетических и тепловых расчетов ДЛА используется ряд характеристик топлив и их продуктов сгорания. Рас­смотрим основные из них.

I) Теоретически необходимое количество окислителя или стехиометрическое соотношение компонентов

. (3.1)

Это такое соотношение расходов окислителя и горючего в единице массы топлива, при котором между горючими и окислительными эле­ментами обеспечивается полное протекание окислительно-восстано­вительных реакций. Коэффициент может быть определен по формуле замещения валентностей элементов при известном массовом составе компонентов топлива.