Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 15
Текст из файла (страница 15)
3. Высокое хладосодержание позволяет улучшить параметры и характеристики двигателя за счет охлаждения горячей части, использования различных теплообменных устройств и т. п. (увеличение температуры газа, регенерация тепла, циклы с промежуточным охлаждением и др.). Кроме того, хладосодержание жидкого водорода оказывается вполне достаточным для охлаждения конструкции двигателя и элементов летательного аппарата при М, ) 6 и тем самым может обеспечить освоение гиперзвуковой области скоростей полета.
4. Крисгенность (низкая температура кипения) вызывает целый ряд новых требований, таких, как теплоизоляция баков; специальная система продувки, захолаживания, заправки баков и топливных систем; специальные системы топливоснабжения и хранения жидкого водорода в аэродромных условиях и др. 5. Обеспечение пожаро- и взрывобезопасности при высокой химической активности водорода явится одной из важных проблем его использования как массового топлива. 6. «Водородные» гаэотурбинные двигатели должны отличаться от двигателей, работающих на керосиновом топливе наличием систем охлаждения, газификации водорода, принципиально новых систем топливоподачи и регулирования, новыми камерами сгорания для сжигания газообразного топлива и др. Применение жидкого водорода наряду с положительными факторами связано с решением ряда новых технических и эксплуатационных проблем, которые частично решены в ракетной 72 Методы производства водорода Водород в настоящее время производится в широких масштабах (в газообразном виде) и используется в народном хозяйстве — в химической промышленности, в металлургии и в нефтеперерабатывающей промышленности, в частности, для процессов гидроочистки, гидрирования и гидрокрекинга реактивных топлив.
Жидкий водород используется в ракетной технике. Водород получается в основном в результате переработки— конверсии природнсго газа (метана). Процесс протекает в три стадии: 1. Конверсия метана парами воды при высокой температуре с катализаторами: СН«+ Н»О -ь СО + ЗН» — 207 кДж. В результате получается «водяной газ» (смесь окиси углерода с водородом). 2, Конверсия окиси углерода водяным паром при высокой температуре с катализаторами: СО + НвО -ь СО, + Н, + 41 кДж. 3. Очистка водорода (поглощение СО, адсорбентом и замораживание остатков СО, при 1( — 79'С). Более перспективным в отношении расходования природных ресурсов является способ производства водорода с помощью газификации угля.
Общая схема процесса соответствует выражению (2.2) и во многом повторяет процесс конверсии метана: 1. С+ Н»О-ь СО+ Н, — 119 кДж (1 = 1000 ... 1100'С, катализаторы). 2. СО+ Н«О-»-СО, + Н, + 41 кДж (1 = 450'С, катализаторы). 3. Очистка водорода. Оба рассмотренных процесса связаны с расходованием минерального сырья, природного газа и угля, запасы которых в принципе ограничены. Эти ограничения снимает влектрохимический способ производства водорода путем электролиза воды по схеме 2Н»О-~-2Н» + О,. Эти процессы и устройства для их осуществления (электролизеры) в настоящее время интенсивно исследуются с целью увеличения выхода водорода по отношению к затраченной электроэнергии, Для массового применения этого способа, а также последующего ожижения водорода потребуются мощные источники электроэнергии, которыми могут стать атомные электростанции буду,щего, Разрабатываются и другие способы получения водорода из воды — термохимические, в простейшем виде соответствующие реакции 2Н»О -~ 2Н, + О, при непосредственном подводе тепла без перевода его в электроэнергию.
Сдвиг этой реакции вправо и заметное увеличение выхода водорода требует высоких температур — в несколько тысяч градусов Цельсия, что практически нереально. Поэтому предложено большое число сложных многоступенчатых т е р м ох и м и ч е с к и х ц и к л о в с рядом промежуточных реакций, в которых требуемая температура не превышает 800 ...
1000'С, и в конечном счете водород получают из воды. Эти способы открывают большие перспективы производства водорода с пониженными затратами энергии, первичным источником которой, в частности, могут быть ядерные реакторы, Перспектива применения водородного топлива. Существует ряд объективных факторов, которые будут способствовать в перспективе внедрению водорода как основного авиационного топлива. 1. Истощение ресурсов нефти и других горючих полезных ископаемых, Развитие атомно-водородной энергетики и полная восстанавливаемость сырья (воды) устраняют (в перспективе) ресурсно- энергетические ограничения. 2. Технико-экономические преимущества применения водорода.
«Водородные» самолеты вследствие меньших запасов топлива по оценкам получаются более легкими и более экономичными. Постепенное внедрение водорода, по-видимому, будет осуществляться путем устройства сети постоянных оборудованных трасс для полета «водородных» самолетов. 3. Освоение гиперзвуковых скоростей полета (М ~ 6) становится возможным только при использовании в качестве топлива жидкого водорода с его исключительно высоким хладосодержанием. 4. Снижение вредных выбросов из «водородных» двигателей, отсутствие дыма, окиси углерода, несгоревших углеводородов, окислов серы и других вредных веществ, содержащихся в продуктах сгорания углеводородных топлив, является немаловажным фактором в проблеме защиты окружающей среды. В.З.
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЯДЕР НОЯ ЭНЕРГ И И В ВРД Потенциальные преимущества применения ядерной энергии на самолетах заключаются в чрезвычайно высокой энергоемкости ядерного топлива, вследствие чего продолжительность и дальность полета возрастают во много раз по сравнению с само- 74 летами, использующими химическое топливо. Действительно, в реакции деления 1 кг урана («»»О) реально выделяется ядерная энергия, равная ж8 10»«кДж, что в ж2 10' больше удельной теплоты сгорания керосина.
Однако для создания самолетов и двигателей, использующих ядерное топливо, потребуется решить ряд крупных научнотехнических проблем, связанных с безопасностью эксплуатации, значительной массой ядерной силовой установки (ЯСУ), содержащей реактор и биологическую защиту, с необходимостью создания специальных газотурбинных воздушно-реактивных двигателей (ЯВРД) и системы передачи тепла от реактора к двигателям. Авиационны й ядериы й Реактор Общие принципы устройства ядерных реакторов изучаются в курсе общей физики.
Отметим особенности авиационного ядерного реактора (АЯР) и основные требования к нему. Мощность. Мощность наземных энергетических реакторов может достигать нескольких миллионов кВт. Мощность авиационных ЯР даже для тяжелых пилотируемых самолетов взлетной массой 500 ... 700 т составляет 200 ... 300 тыс. кВт. Компактность, АЯР должны быть максимально компактными для возможности размещения в фюзеляже и снижения массы (вместе с биологической защитой).
В этом отношении предпочтительны АЯР на быстрых нейтронах. С целью уменьшения размеров и массы реактора его тепловую мощность, как правило, выбирают для режима работы двигателей в длительном крейсерском полете самолета. На режимах, требующих максимального расхода топлива (взлет и набор высоты), двигатели работают на обычном химическом (углеводородном) топливе. Поэтому и двигатели (ЯВРД) и самолеты с ЯСУ должны иметь соответствующие топливные системы.
Заи(ип«а от радиации (потока нейтронов и Т-излучения) необходима для нормальной работы летного состава и обслуживаю щего персонала на аэродроме. Масса систем биологической защиты АяР составляет основную долю общей массы яСУ самолетов. При работе АЯР биологическая защита поглощает его излучение и разогревается.
Поэтому на самолете должна быть предусмотрена система охлаждения защитного устройства. Безопасность эксплуатации ЯСУ должна обеспечиваться гарантированным управлением процессом тепловыделения в реакторе на рабочих режимах, в аварийных ситуациях, при запуске и при останове. При необходимости должны быть гарантированы демпфирование и сохранение герметичности оболочки реактора, предотвращающих возможный выброс радиоактивных веществ. Поэтому АЯР вместе с контуром первичного теплоносителя и био логической защитой заключают в высокопрочный неразрушаемый контейнер. 75 Таблица 26 Литий ы Натрий Ха 75 зд К+ +взад на Свойства гелий Не Воздух Температура плавления, 'С Плотность (Т = = 910 К), кгlдмз Удельная тепло- емкость (Т = = 910 К), кЛждкг К) 182 0,476 0,8 0,72 0,00207 0,0149 (р=-3500 кПа) 1,! 37 (р=-3500 кПа) 4,32 1,258 0,88 5,2 Рис.
2.8. Схема АЯСУ с двухконтурным двигателем (28): 1 — реа!стор; 7 -- иеразрущаемый контейнер с биологической защитой; 5 — иерзичвый «оитур теилопереиоса; 5 — теплообмеииикиг 5 — вторичиый коитур те. ллопереиоса; 5 — ТРДД; 7 — теолообмеииик двигателя; 5 — камера сгорания; Π— подвод жидкого химического топлива; !Π— си.
стема расхолаживаиия реа. ктора; 1! — веитилятор; !т — система охлаждения защиты яр; 15 — теолообмеииик с защитой; 15— насосы; 15 — иереключаю. щие вентили 77 Отвод тепла от реактора в двигатели в целях безопасности осуществляется двумя контурами теплопереноса: первичным, находящимся в реакторе и внутри его контейнера, и вторичным, переносящим тепло в двигатели. Такое разделение оказывается необходимым, так как первичный теплоноситель может быть радиоактивным.
Передача тепла от первичного к вторичному теплоносителю осуществляется в теплообменниках, находящихся внутри контейнера АЯР. К теплоиосителям предъявляются требования слабого замедления нейтронов (для первичных теплоносителей в быстрых АЯР), низкой коррозионной активности по отношению к коиструкционным материалам, высокого коэффициента теплопроводности, большой удельной теплоемкости, низкой упругости паров при нагревании и др.
В качестве теплоносителей в ЯСУ с быстрым реактором могут использоваться щелочные металлы или их эвтектические сплавы с низкой температурой плавления (табл. 2.6), а также. некоторые газы при высоком давлении, например, гелий, имеющий высокую удельную теплоемкость вследствие малой молекулярной массы, равной 4,0026 (ср. с воздухом в табл. 2.6). Должен быть предусмотрен подогрев трубопроводов для предварительного расплавления теплоносителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
