Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Однако в восстановительном ЖГГ возможно выпадение сажи, коксоРяс. 7. 47. ЖГГ двигателя хЕ.2: ! — уплотненне; 2 подвод горючего ! !О%1; а — сливноя кран; а — центробежная форсунка; д — штуцер для янпястея ОтрнцатЕЛЬНЫм замеров; 6 — головка; ! — форсунка гооючего  — фор. фактором. В двигателях ра сункя окислителя; у — отверстие для запала; !Π— уплоткет «Атлас», «Блю трик», «Сатурн», работающих на топливе От+керосин, — восстановительный ЖГГ. При использовании ЖГГ для наддува баков тип генератора определяется условиями предотвращения догорания в баках.
Для бака окислителя, естественно, применяется окислительный ЖГГ, для бака горючего — восстановительный. По способу организации процесса получения рабочего тела различают ЖГГ с одноступенчатым и двухступенчатым подводом топлива (однозонные и двухзонные). При одноступенчатом подводе (рис. 7. 49,а) все топливо подается через головку и в камере ЖГ! происходит сгорание при заданном соотношении компонентов. Такой тип ЖГГ пригоден для легко испаряющихся и легко воспламеняющихся топлив. При двухступенчатом подводе (рис. 7.
49,б) часть топлива (окислителя при а»1, горючего при а«1 или воды)' подается через специальные форсуики или пояс форсунок, размещенных на некотором отдалении от головки. Такая схема подачи топлива может быть рациональной при большом смещении соотношения компонентов от стехиометрического или при подаче воды. В этом случае через головку подается топливо с соотношением, более близким к стехпометрическому, что обеспечивает надежное воспламенение и сгорание с образованием продуктов сгорания высокой температуры.
Для снижения температуры газов через пояс форсунок подается дополнительная порция топлива. При этом происходят сложные процессы испарения, разложения, а в некоторых случаях и догорания дополнительно впрыснутого компонента. Особенно усложняется процесс при дополнительном 312 впрыске углеводородного горючего, когда могут иметь место выделение сажи и коксообразование. Как известно, термодинамические свойства рабочего тела прн одном и том же топливе в значительной степени зависят от принятой схемы подачи топлива в ЖГГ. В трехкомпонентном ЖГГ для снижения температуры рабо- 27.10 дкГ.к7кг топ ауат7ка 7"кп 100 00 00 Уай 704 020 згг 100 0 Тох лпп 3000 гппп гппп мпп тппп гп Ипклииии о или Пода 3000 2400 7000 7200 000 0 Рис.
7.48. Зависимость Т, йТ и дТ/д1па от а дли топлива О,+иеросии при р= =40 кГ!сит (3,92 Мк7мт) Рис. 7.49. Схемы ЖГГ: о — с одпосттпвачатым подводом топлпва; б — с двудсттысачатым подводом топ- лава чего тела производится баллистировка рабочего тела (третий компонент). При этом выпуск может производиться как через отдельный пояс, так н со стороны головки. Особенности процессов и расчет ЖГГ Вследствие большого избытка одного из компонентов и необходимости обеспечения сравнительно низкой температуры рабочего тела характерны следующие особенности организации процесса образования рабочего тела в ЖГГ.
1. Прн большом смещении коэффициента избытка окислителя соотношение компонентов становится близким к пределам воспламеняемости и воспламенение затрудняется. Один из способов обеспечения надежного воспламенения — применение двухступенчатого подвода топлива. Прн подаче топлива только от головки в некоторых случаях необходимо обеспечить надежно воспламеняемое ядро, что достигается соответствующим размещением форсунок. 2. Температурная и химическая неравномерность состава газов. Вследствие большого избытка одного из компонентов и низких температур часть избыточного компонента может испариться и не вступить в реакцию. При этом подогрев этой части газов будет происходить только за счет отбора тепла от продуктов сгорания прореагировавшей части топлива.
3. Частичная неравновесность процесса. Вследствие низких температур химические реакции протекают более медленно, чем, например, в камере ЖРД. В результате этого состав продуктов сгорания не успевает следовать за температурой и равновесное состояние не устанавливается. Особенно велика степень неравновесности при двухступенчатом подводе топлива, когда вследствие впрыска холодной дополнительной порции 11ча 908 313 топлива (или воды) происходит частичное «замораживание» состава продуктов сгорания, 4. При использовании компонентов топлива, имеющих сложную молекулу, вследствие сравнительно низких температур в камере ЖГГ возможно образование продуктов сгорания со сложным молекулярным строением, а при большом избытке углеводородного горючего, кроме появления в,продуктах сгорания сложных молекул (например, СНх, СзНх), возможно выделение углерода в твердой фазе в виде сажи.
При избытке компонента с более простой молекулой (например, кислорода в топливе Од+керосин) последняя особенность отпадает. Вследствие отмеченных особенностей организации и протекания процесса в ЖГГ точный расчет параметров работы ЖГГ оказывается более сложным, чем расчет параметров в камере сгорания ЖРЛ. В ряде случаев расчет ЖГГ возможен только с использованием эмпирических коэффициентов, позволяющих прокорректировать данные расчета в соответствии с типом ЖГГ и применяемым топливом. Рассмотрим упрощенные схемы расчета ЖГГ для трех случаев работы ЖГГ [14], [25]: — при избытке окислителя; — при избытке углеводородного горючего; — при впрыске воды.
Расчет при избытке окислителя. В этом случае при расчете можно исходить из предположения, что сгорание полное, а диссоциация отсутствует. Тогда продукты сгорания четырехэлементного топлива будут состоять из СОз, НзО; Х, и Оь Массовые доли компонентов продуктов сгорания 11 8'со,= —,С ' Юн,о=9Н. Гн,=Н. Ко, О С, 8Н ° 8 Естественно, что Ысо, + йн,о+4'н, + 0о, = [. (7.95) (7.96) Температура получаемых продуктов сгорания определяется, как обычно, из условия равенства полного теплосодержания топлива и продуктов сгорания: 7„„.=$„„„ (7.97) где 7п.п.с Х упуйу=1псо,йсо,+7.н,о,йн,о+1„;ч,Яч,+У„о,Ко,.
(7 98) (7.99) 314 Здесь !,я — полное теплосодержание компонентов продуктов сгорания; приводится в таблицах [!4], [25]. Если расчетная температура получится отличной от заданной для ЖГГ; надо изменить состав топлива, для нового топлива определить состав продуктов сгорания и 7„,, и, решая уравнение (7. 97), найти новую температуру. Расчет при избытке угловодородного горючего.
В этом случае расчет осложняется тем, что в составе продуктов сгорания возможно появление твердого углерода (сажи) и углеводородов, в первую очередь СН4, а также углеводородов типа СгНр., СзН4 и т. д. Наличие газообразных углеводородов приводит к появлению дополнительных уравнений констант равновесия: Наличие углерода предполагает уравнение константы равновесия рсо* 7(ч ч с рсо (7.100) Рассмотрим порядок расчета на примере трехэлементного топлива (Н, С, 0).
Обозначив через и массовую долю твердого углерода и принимая, что для трехэлементного топлива состав остальных продуктов сгорания будет характеризоваться парциальными давлениями Рсо, ', Рсо, 'Рн,о', Рн,; рсн, (углеводородами типа С„Н пренебрегаем), систему уравнений, определяющую состав, можно записать в виде: уравнений баланса С рсо+ рсо.+ рсн О, 16 2Рсо,+Рсо+Рн,о 1 2рн +2рн о+4рсн (7.101) 2рсо.+ рсо+рнс о уравнений констант равновесия р, р и 2п с рн, ' рсо уравнения равенства суммы парциальных давлений давлению в ЖГГ (7.102) Ржгг Е Р~ (7.103) Решая совместно уравнения (7.101) — (7.103) при заданных температуре и давлении, определяем состав продуктов сгорания.
Температуру получаемых продуктов сгорания определяем, решая уравнение (7. 97): 7„,=(7п и,)„ где ~ Т„~Р~+ — 7с, ~шр вс (7.104) 8 — и ~,"~(5 ~ АД!пр)р+ч с Еп,р; ~,ф' где Яс — энтропия твердого углерода. Расчет при вп р ыске воды. Задача расчета сводится к определению необходимого количества воды для снижения температуры продуктов сгорания топлива, подаваемого в ЖГГ, до заданной. Температуру Т' и состав продуктов сгорания, полученных в первой зоне ЖГГ, определяем обычными методами расчета. Считаем, что при впрыске воды в горячие продукты сгорания происходит их резкое охлаждение до заданной температуры Тжгг и состав продуктов сгорания измениться не успевает (т.
е. происходит «замораживание» состава). При этом вода испаряется и пары воды нагреваются до Тжгг. Уменьшение полного теплосодержания продуктов сгорания будет равно г1 Тгжгг а7п.п.с с п.п.с ' п.п.с (7.106) ]1спс рс и гс — молекулярный вес н энтальпия твердого углерода.
Для полученных продуктов сгорания энтропия определяется уравнением (7.105) где !п,п.с и )„,,;; — полное теплосодержание продуктов сгорания топ. т~ т лива ЖГГ в первой зоне прн одинаковом („замороженном") составе при температурах Т' и Т „„: т~ )плс= — ~~)п,.Р~=У;, Успс = Р Уп, "",П,. (7,107) ЬУ„.н,о=а(/и н,"о — Тп",н,о), (7.109) где ),н,о — полное теплосодержание жидкой волы при температуре подачи. Подставляя выражения (7.108) и (7.
108) в равенство (7.109), найдем сс гг~ ггжгг — п.п.с п.п,с Газовая постоянная получившейся смеси паров воды и продуктов его. ранив определяется выражением )~жгг Кн*о)~и*о+ А п с)~п с (7.111) где ян,о и йж,— массовые доли паров впрыснутой воды и продуктов сгорания в смеси: 1 а Кн.о=,' Кп с= 1+а 1+а (7 112) Данную схему расчета можно использовать и для расчета состава и температуры рабочего тела двухкомпонентного ЖГГ с двухступенчатым впрыском, если принять допущение о полном «замораживании» продуктов сгорания, образовавшихся до впрыска, и считать, что дополнитель.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
