Демидов В.И., Сухов А.В., Щербаков А.А. - Общие сведения о топливах двигателей летательных аппаратов, страница 2

Действительное соотношение компонентов характеризуется коэффициентом

, (3.2)

который в общем случае отличается от стехиометрического:

Коэффициент избытка окислителя характеризует отличие действительного соотношения компонентов от стехиометрического:

. (3.3)

2) Полная энтальпия топлива характеризует полный запас энергии, которым обладает единица массы топлива.

Для определения полной энтальпии топлива необходимо знать полные энтальпии компонентов и их действительное соотношение.

а) Полная энтальпия компонента - индивидуального вещества, подаваемого в камеру сгорания при начальной температуре , совпадающей с началом отсчета теплосодержаний:

, (3.4)

где - теплота образования данного вещества из стандартных элементов, характеризующая запас химической энергии.

б) Полная энтальпия компонента - индивидуального вещества, подаваемого в камеру сгорания при некоторой начальной темпера­туре

, (3.5)

где - теплоемкость компонента. Второе слагаемое определяет запас "физической" энергии - энер­гии состояния.

в) Полная энтальпия компонента - сложного вещества, состоя­щего из n индивидуальных веществ и подаваемого в камеру сго­рания при :

, (3.6)

где - массовая доля -го индивидуального вещества в сложном компоненте;

- теплота образования -го индивидуального вещества;

— сумма теплот растворения индивидуальных веществ в сложном компоненте (которое в общем случае может идти как с выделением, так и c поглощением тепла).

Полная энтальпия топлива, состоящего из двух компонентов, может быть определена по выражению

(3.7)

3) Полная энтальпия продуктов сгорания по аналогии может быть записана:

(3.8)

Используется понятие теплоты сгорания топлива как разности теплот образования исходных веществ и продуктов сгорания.

4) Плотность топлива определяется плотностями компонентов и их соотношением в топливе:

; ; . (3.9)

Кроме рассмотренных выше характеристик важное значение имеют и используются следующие свойства топлив и их продуктов сгорания:

- вязкость компонентов;

- температура плавления;

- температура кипения;

- скрытая теплота парообразования;

- теплоемкость.

В расчетах необходимо учитывать зависимость этих характеристик от параметров состояния компонентов (температуры, давления).

Для продуктов сгорания важными характеристиками являются молекулярная масса и газовая постоянная .

Молекулярная масса смеси газов, входящих в состав продук­тов сгорания, может быть найдена по выражению

, (3.10)

где - объемная доля -го газа.

Газовая постоянная и молекулярная масса связаны известным соотношением

, (3.11)

В том случае, когда некоторые составляющие продуктов сгорания при параметрах состояния и находятся в виде твердых или жидких частиц с массовой долей , в расчетах используется условное значение газовой постоянной:

, (3.12)

где - газовая постоянная парогазовой части продуктов сго­рания. Чем больше или меньше , тем больше удельное газообразование, тем выше работоспособность продуктов сгорания топлива.

При расчете процесса истечения важной характеристикой яв­ляется показатель процесса расширения (при иэоэнтропическом расширении).

4. Требования к топливам ДЛА

Тип топлива в значительной мере определяет параметры ДЛА, возможность его использования в ЛА данного назначения, опреде­ляет в значительной степени его конструкцию, массовые характе­ристики, условия эксплуатации. Поэтому к топливам предъявляется целая группа определенных требований, которые в большинстве случаев удовлетворить полностью не удается, но формулировка этих требований позволяет правильно подойти к выбору типа топлива при создании ДЛА конкретного назначения.

Требования, предъявляемые к химическим топливам, можно раз­бить на пять основных групп:

1) требования к топливу как источнику энергии;

2) требования, определяемые наилучшими условиями организа­ции рабочего процесса;

3} требования, вытекающие из условий работы элементов кон­струкции двигателя;

4) эксплуатационные требования;

5) экономические требования.

1. Требования к топливу как к источнику энергии

Анализ требований, предъявляемых к топливу как к источнику энергии, следует начать с рассмотрения уравнения Циолковского:

(4.1)

Конечная скорость, развиваемая ЛА, тем больше, чем выше скорость истечения газов из сопла двигателя , т.е. удельный импульс тяги, и чем больше массовое число , равное отношению начальной массы ЛА к конечной. Массовое число, в свою оче­редь, зависит от массы топлива при данной массе конструкции ЛА. Таким образом, одним из первых требований является как можно большая плотность топлива . Это же требование имеет важное значение при выборе топлива для двигателя, перемещающего аппа­рат с равномерной скоростью, например в воде:

, (4.2)

т.е. суммарный импульс, развиваемый двигателем при прочих рав­ных условиях, а следовательно, время работы (дальность хода) будет тем больше, чем выше плотность топлива.

Важным параметром двигателя является удельный импульс:

. (4.3)

Из выражения (4.3) видно, что для данной конструкции двигателя удельный импульс тем выше, чем больше энтальпия продук­тов сгорания в камере и чем меньше энтальпия истекающих из сопла продуктов сгорания.

При высокой температуре, развивающейся в камере сгорания, происходит диссоциация продуктов сгорания, протекающая с поглощением энергии. Уровень диссоциации ниже для продуктов, имеющих малую молекулярную массу. Таким образом, в этом отношении к топливу можно предъявить требование, связанное с содержанием в его продуктах сгорания большего количества газов с малой моле­кулярной массой, имеющих одновременно большую теплоемкость, что снижает уровень температуры продуктов сгорания при той же вели­чине энтальпии. Снижение температуры благоприятно с точки зре­ния увеличения надежности работы элементов конструкции двига­теля.

На величину работы расширения продуктов сгорания может ока­зать влияние температура кипения отдельных составлящих. Если она будет ниже общей термодинамической температуры, уменьшающей­ся по мере расширения газов в сопле, то эти составляющие продук­тов сгорания будут находиться в жидком или даже твердом состоя­нии, что снизит общую работу расширения продуктов сгорания и, как следствие, удельный импульс тяги. Кроме того, наличие жид­ких и твердых частиц в продуктах сгорания приведет к дополни­тельным, так называемым фазным потерям в проточной части сопла, что еще более снизит реализуемый удельный импульс. Таким обра­зом, к топливу как источнику химической энергии можно предъявить следующие основные требования:

высокая энтальпия продуктов в камере сгорания;

высокая плотность;

малая молекулярная масса газообразных продуктов сгорания;

высокая теплоемкость продуктов сгорания, обеспечивающая более высокое значение показателя процесса расширения;

низкая температура кипения продуктов сгорания, не превышаю­щая термодинамическую температуру в конце расширения, т.е. на срезе сопла.

2) Требования, обуславливающие наилучшие условия организации рабочего процесса в камере сгорания.

При протекании рабочего процесса в камере сгорания ДЛА важным параметром является скорость сгорания топлива, т.е. время преобразования единицы массы топлива в конечные продукты сгорания. Чем мельче капли жидких компонентов, подаваемых в виде распыленного факела в камеру сгорания (чем мельче частицы метал­ла при использовании высокометаллизированных топлив), тем быстрее происходит их сгорание, тем меньше потребный объем камеры сгорания, обеспечивающий необходимую полноту их сгорания.

Следовательно, одним из требований, предъявляемых к жидко­му топливу, является снижение его вязкости и поверхностного натяжения. Чем меньше вязкость и поверхностное натяжение жидких компонентов, тем мельче образуются жидкие частицы при тех же энергетических затратах на распыл, тем быстрее и, следовательно, в меньшем объеме завершается процесс горения. Состав высокометаллизированных топлив должен обеспечивать образование более мелких частиц, поступающих в зону химических реакций.

Кроме того, предпочтительнее для более полного сгорания ис­пользовать такие топлива, в которых с большей скоростью проте­кают физико-химические процессы, определяющие воспламенение , и горение . При использовании самовоспламеняющихся топлив для плавного и надежного запуска двигателя требует­ся малое время задержки воспламенения или время самоиндукции, под которым понимается время от момента соприкосновения компо­нентов до начала реакции горения (появления видимого пламени). При большем времени задержки воспламенения возможно накопление в момент запуска в камере избыточного количества топлива, кото­рое при воспламенении приведет к нерасчетному повышению давле­ния. Последнее может вызвать разрушение камеры и двигателя в целом.

Для обеспечения высокоэффективной организации рабочего про­цесса в камере сгорания ДЛА важным является однородное смешение компонентов и равномерное распределение их по сечению камеры. Это, в частности для жидких топлив, зависит от соотношения объем­ных расходов окислителя и горючего. Поэтому для жидких топлив раздельной подачи целесообразно иметь близкие объемные расходы компонентов.