Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 43

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 43)

Кроме главных тяговых двигателей, порошковое топливо можно использовать:

в системах управления вектором тяги, путем применения вдува;

в двигателях твердого топлива не только при форсирования тяговых характеристик заряда, но и при переменной тяге по мере выгорания заряда;

227

в стартовых ракетных ускорителях, в газогенераторах для вытеснительной системы подачи.

Порошковые топлива могут оказаться особенно ценными в космических аппаратах, где они длительное время находятся при низких температурах хранения и затем включаются в работу. Космический холод при отсутствии влаги в порошках не влияет на качество компонента и не приводит к изменению его свойств.

В последнее время проблема подачи порошковых топлив разрешается методом флюидизирования, т. е. образования металлогазовой суспензии. В такой форме масса компонента топлива превращается в квазижидкость, внешне очень напоминающую обычную кипящую жидкость. Суспензирование осуществляется сжатым газом, чаще всего азотом. Квазижидкость может двигаться по трубопроводам, каналам насосов как обычный жидкий или газообразный компонент.

Современное флюидизированное порошковое топливо имеет следующие преимущества по сравнению с другими жидкими и твердыми топливами.

1. Достаточно высокий удельный импульс в пределах or 2950 м/с до 4125 м/с (объемный удельный импульс до 4420-5900 м/с).

2. Текучесть, как у жидкости, поэтому может дросселироваться, обеспечивая таким образом регулирование тяги.

3. Способность длительно храниться при низких температурах без изменения своих свойств.

4. Возможность в любых условиях обеспечивать повторный запуск двигателя.

5. Высокая плотность и минимальный объем - самые малые габариты баков.

6. Простота в обработке, хранении и заправке.

7. Способность хорошо перемешиваться с окислителями и таким образом обеспечивать высокую степень (полноту) сгора­ния - до 95 %.

Исследования в США применения порошковых топлив [56] проводили главным образом с топливами, имеющими оба компонента в порошковой форме. В качестве горючего использовали алюминий, двойной декаборид алюминия, диборид бора и циркония, диборид титана, гидриды циркония, бериллия, алюминия и полиэтилен. В качестве окислителя применяли перхло-рат аммония, гидроксильный перхлорат аммония, нитрат аммония и гексанитроэтан. Порошковые частицы имеют размеры от 2 до 2000 мкм. Их не нужно сортировать, как показала практика, так как использование крупных и мелких частиц обеспечивает большую плотность заполнения баков и уменьшение их габаритов.

Комбинация гидрида бериллия и перхлората аммония теоретически обеспечивает наибольший удельный импульс из-за высо-

228

кого газообразования бериллия, но нежелательна из-за высоких токсических свойств бериллия и продуктов его реакции [56].

Наиболее простой и удобной в эксплуатации парой является алюминий и перхлорат аммония, но их удельный импульс не превышает 310 с.

Для прямоточных воздушно-реактивных двигателей в качестве горючего целесообразно применять порошок бора [56].

Большой интерес представляют будущие исследования топлив с порошковыми горючими и жидкими окислителями. В этом случае возможно использование фтора и его производных, что обеспечивает значительное увеличение удельного импульса тяги и плотности топлива. Кроме того, расширяется круг веществ с газообразными продуктами реакции.

5.9. РАБОЧИЕ ТЕЛА ГАЗОВЫХ ТУРБИН ТНА

Турбонасосный агрегат двигателя (ТНА) используется для подачи компонентов топлива из баков в камеру сгорания. В современных двигательных установках основным источником мощ-ности для привода ТНА является газовая турбина (ГТ) часто очень большой мощности, с высокими параметрами рабочего тела.

Мощность и расход рабочего тела ГТ колеблются в очень широких пределах и зависят от потребностей ТНА.

Основные параметры рабочего тела - его давление и температура. Давление меняется в пределах от 30 до 300 кгс/см². Температура ограничена прочностью лопаток газовой турбины и обычно не превышает 1300-1400 К (1027-1127° С).

В качестве источника энергии с указанными параметрами обычно используются компоненты химических топлив ракетных двигателей.

Классифицируя рабочие тела как источники энергии ТНА, их можно разделить на три основные группы:

1. Специальные топлива.

2. Основные топлива жидкостных двигателей.

3. Специальные заряды твердого топлива.

В соответствии с выбранной или принятой группой решается и конструкционная форма использования рабочего тела на двигательной установке. Преобразование жидкого или твердого топлива в рабочее тело для газовой турбины ТНА производится в газогенераторе (ГГ) или парогазогенераторе (ПГГ) (рис 5.6). Если для работы ГТ используются специальные компоненты и топлива, например Н₂О₂ - перекись водорода, то образо-

229

вание рабочего тела ГТ обеспечивается реакцией разложения перекиси:

или

В
данном случае в продуктах реакции будут газ - кислород и водяной пар. Реакция осуществляется в парогазогенераторе (ПГГ) с выделением тепла (2,845 МДж/кг Н₂О₂), и рабочее тело - парогаз имеет температуру около 675-775 К (402-502° С).

В качестве катализатора для разложения перекиси широко используется перманганат натрия (NaMnO₄) или перманганат калия (КМnО₄).

Специальные компоненты или топливо, используемые как рабочее тело для ГТ ТНА, содержатся на борту ракеты в отдельных емкостях - специальных баках.

Если для работы ГТ используются основные топлива жидкостного ракетного двигателя, то для них нет надобности в отдельных емкостях и они обычно забираются из основных баков (рис. 5.7). Преобразование химической энергии в этом случае осуществляется в газогенераторе (ГГ) за счет окислительно-восстановительных реакций с большим выделением тепла. Например:

230

О существление такой реакции при стехиометрических соотношениях компонентов приведет к очень высоким температурам в газогенераторе, что, в свою очередь, может вызвать разрушение лопаток газовой турбины ТНА. Получение нормального уровня температуры газов не более 1300-1400 К обычно обес-печивается значительным отступлением от стехиометрии так, что процесс идет при  = 0,1....0,3 или, наоборот, при  = 5-20. Процесс газогенерации, протекающий при значениях а меньше единицы, называют восстановительным, а рабочее тело, получа-емое в этом процессе, - восстановительным генераторным газом.

Процесс газогенерации при
a, значительно большем единицы,
называют окислительным, а ра-
бочее тело - окислительным
(«кислым») генераторным газом.

Остановимся немного на свой-ствах окислительного и восстано-вительного генераторного газов.

Если произведение газовой постоянной на температуру рассматривать как «работоспособность» газа при данной температуре и построить график изменения RT и Т газа по а, то можно показать, что работоспособность восстановительного газа при заданной температуре будет выше, чем окислительного генераторного газа (рис. 5.8). Из приведенного графика видно, что при одинаковых по величине отклонениях  возникают изменения температуры и работоспособности газа - рабочего тела турбины. Но для восстановительного газа отклонения ДГ и RT значительно меньше, чем для газа окислительного [1,2]. Отклонения , T и RT взаимосвязаны и являются результатом колебаний расхода компонентов топлива, вызванных процессом регулирования двигателя.

Естественно, что для работы газовой турбины ТНА желательны минимальные колебания температуры и работоспособности генераторного газа. Кроме того, восстановительный газ менее коррозионноактивен по отношению к конструкционным материалам газогенератора, турбины и газоводов. Меньшая коррозионная активность генераторного газа позволяет поднять на 473-573 К (200-300° С) уровень температуры, что, в свою оче­редь, уменьшает размеры и массу газогенератора и турбины, так как повышается работоспособность газа.

Наряду с перечисленными преимуществами восстановительный газ имеет и серьезные недостатки.

Восстановительный газ, полученный при <<1, часто содержит твердые или жидкие частицы, например сажу или капельки

231

жидкости неокислившегося окисла, иногда полимеризующиеся продукты реакции. Наличие твердого, жидкого или полимеризующегося компонента в генераторном газе нежелательно, так как может вызвать эрозионный износ лопаток газовой турбины или закупорку проходных каналов в решетке направляющих аппаратов.

Количество восстановительного газа также несколько ограничено по условиям соотношения компонентов, так как всегда >>1. Поэтому запас горючего на борту ракеты всегда меньше запаса окислителя. Для турбин с большим расходом газа использование восстановительного газа может оказаться практически невозможным потому, что запас горючего на борту будет недостаточен для образования необходимого количества восстановительного газа. Мощность газовой турбины турбонасосного агрегата, как известно, определяется формулой:

здесь L_T — удельная работа генераторного газа;

G_c — секундный расход генераторного газа;

_т — КПД турбины.

Удельная работа газа, в свою очередь, определяется по фор-муле:

где К=_p/_v отношение теплоемкостей генераторного газа при постоянных давлении и объеме;

d - перепад давления на рабочем аппарате турбины p₁/p₂

RT_T - работоспособность газа.

L_T зависит от К=c_p/c_v; =p₁/p₂ и RТ_Т*L_T при выбранном топ-

ливе и заданных перепадах давления на турбине в наибольшей степени зависит от RT_Т - работоспособности газа.

Рассмотрим теперь зависимость второго параметра - секундного расхода газа в формуле мощности турбины. Секундный расход зависит от составляющих газа. В общем виде можно записать

здесь G_гг — секундный расход горючего через газогенератор;

Характеристики

Список файлов книги