Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 44

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

Текст из файла (страница 44)

232

Отсюда видно, что максимальный секундный расход окислительного газа может быть больше расхода окислителя на величину

1+1/_гг₀ т.е. приблизительно на 5-15% больше расхода окислителя на весь двигатель. Такие большие расходы газа обычно не требуются даже для самых мощных турбин ТНА. Следовательно, по расходу рабочего тела окислительный газогенератор обеспечивает любые потребности ТНА. Это обстоятельство является одним из основных условий наиболее широкого использования окислительного газа в современных ракетных установках.

Но окислительный газ обладает рядом недостатков, которые должны учитываться при его использовании. Большинство окислителей коррозионноактивны и весьма агрессивны по отношению к конструкционным материалам лопаток турбин, стенок и трубопроводов газогенераторов. Этому же способствует высокая температура газа, поэтому при использовании окислительного-

233

G_ок.г - секундный расход окислителя через газогенератор;

 и ₀ - действительное и стехиометрическое соотношение

компонентов;

_гг - коэффициент избытка окислителя в газогенераторе.

К
ак видно из последней формулы, максимальный секундный расход восстановительного генераторного газа может быть больше расхода горючего через главный двигатель на величину l+_гг₀ Величина c₀ зависит от принятого состава топлива, так для углеводородного горючего с кислородным окислителем ₀= l,5...3,5; для тех же горючих с азотнокислотными окислителями ₀ колеблется около 5,5, а для кислородводородного топлива ₀ = 8,1. Величина _гг задается около 0,1-0,2 и выбирается из условия ограничения температуры генераторного газа в-пределах не выше 1373 К (1100° С), что требуется для обеспечения прочности и надежности работы лопаток газовой турбины. Используя указанные значения ₀ и _гг, нетрудно установить, что максимальный секундный расход восстановительного генераторного газа может быть на 20-35% больше расхода горючего на двигатель. Если это количество газа окажется меньше потребного расхода газа через турбину, а для очень мощных турбин ТНА это возможно, то необходим переход к использованию окислительного генераторного газа. Доля окислителя в применяемых химических топливах всегда значительно превосходит долю горючего, так как всегда больше единицы, а в ряде слу-чаев значительно больше единицы. Используя формулу (5.3) и записав ее с помощью расхода окислителя, получим:

генераторного газа необходимо выбирать пониженный уровень температуры.

Окислительный газ обладает меньшей работоспособностью, как это следует из рис. 5.8, и, следовательно, размеры газогенератора и проточной части газовой турбины, а также их масса увеличиваются [1, 2].

В условиях эксплуатации возникают дополнительные трудности при запуске ТНА, так как система газогенератор - газо-вая турбина в процессе запуска должна пройти режим, отвечающий стехиометрическому соотношению окислителя и горючего, что приводит к возникновению высоких температур газа и возникновению опасности разрушения турбины раньше, чем установится режим нормальной работы ТНА.

Рассматривая условия использования на ракетной установке восстановительного или окислительного газа, необходимо учитывать пределы воспламеняемости компонентов, участвующих в газогенерации. Для самовоспламеняющихся ракетных топлив с большой химической активностью этот вопрос может считаться второстепенным. Для топлив несамовоспламеняющихся учет пределов воспламеняемости очень существенен, потому что генераторный процесс идет в условиях крайних значений a и c, т. е. либо при очень богатых, либо при очень бедных смесях, обычно близких к пределам воспламеняемости. В области низких температур для окислительного генераторного газа при наличии большой массы холодного компонента воспламеняемость особенно затруднена. В таком случае генераторный процесс целесообразно вести в две ступени в так называемом двухзонном га-зогенераторе. В первой ступени процесс, который начинается и протекает в первой зоне газогенератора, идет в условиях, близких к стехиометрии или при  = 0,6...0,8, когда воспламенение надежно и горение топлива устойчиво.

Во второй части процесса, протекающего во второй зоне га-зогенератора, добавляется избыточное количество горючего или окислителя и, таким образом образующийся газ доводится до желаемых пределов концентрации и расчетных значений температуры.

На современных ракетных установках с двухкомпонентными топливами обычно предпочитают использовать для газогенерации основные компоненты топлива. При этом упрощается система питания и регулирования двигателя, уменьшается число необходимых емкостей для компонентов топлива до двух. Компоненты поступают в газогенератор непосредственно из баков окислителя и горючего. Оценка термодинамической эффективности рабочего тела в том или ином газогенераторном процессе может быть сделана по величине газовой постоянной продуктов реакции или по величине произведения газовой постоянной на температуру газа в генераторе. Для газов, использующихся в газовой турбине ТНА, наиболее полная оценка производится

234

по величине адиабатической работы газа, которая определяется по известной из термодинамики формуле:

здесь

Таким образом L_ад=f(К, RT, d), т. е. является функцией основных параметров генераторного процесса. В простейшем случае оценка может быть сделана по величине газовой постоянной как удельной работы.

На рис. 5. 9 приведены расчетные значения газовой постоянной некоторых рабочих тел в зависимости от температуры для условий химически равновесного состояния. Рассматривая получен-ные зависимости, можно отметить, что наибольшая эффективность получается для водорода и водородкислородного топлива. Реакции разложения гидразина, диметилгидразина и перекиси во-дорода дают эффективность в 4-7 раз ниже, чем водорода и водородкислородного топлива. При сжигании водород-кислородного топлива образуется окисли-тельный генераторный газ малой эффективности с большой температурой. То же получается и в условиях сжигания диметилгидразина с азотным татраксидом. Оценка рабочего тела по термодинамической эффективности не может считаться идеальной и окончательной. Рабочее тело и ус-ловия для рабочего процесса газогенератора должны подбч-раться с учетом термодинамических показателей каждой пары топлива, пределов воспламеняемости, коррозионной активности компонентов и т. д. Необходимо подчеркнуть, что получение генераторного газа для привода газовых турбин ТНА возможно при сжигании основных компонентов топлива, при разложении одного из компонентов основного топлива и испарении в системе охлаждения двигателя одного из компонентов топлива; при пре-вращении его в пар и использовании рабочего тела на турбине. Уровень температуры генераторного газа при сжигании основных компонентов определяется выбором величины коэффициента

235

окислителя, иначе выбором восстановительного или окислительного процесса в генераторе. При использовании реакций разложения уровень температуры регулируется степенью разложения компонента и временем его пребывания в генераторе.

Остановимся теперь на указанных выше конкретных методах получения генераторного газа, используя для примера некоторые наиболее часто употребляемые топлива или их компоненты.

Реакция разложения компонента Разложение перекиси водорода

Перекись водорода можно считать одним из первых продуктов, использовавшихся в газогенераторах первых ракетных двигателей для привода газовой турбины ТНА. Перекись разлагается под действием катализатора - перманганата калия или натрия.

Фактически разложение перекиси идет под воздействием перекиси магния. Учитывая затраты тепла на испарение воды и упрощая запись реакции, получим

В общем виде реакция разложения перекиси может быть записана так:

Реакция протекает при температурах около 1120 К. В продуктах реакции образуются водяной пар и газ - кислород. Таким образом, данный процесс идет с образованием пара и газа и поэтому первые генераторы назывались парогазогенераторами (ПГГ). Типичная схема такого устройства показана на рис. 5.10. Катализатор — перманганат калия или натрия используется в жидком, а чаще в твердом состоянии. Жидкий катализатор, 25—35%-ный раствор КМnО₄ в воде, разбрызгивается в объеме газогенератора форсункой, смешивается с жидкой перекисью и обеспечивает разложение перекиси.

Твердый катализатор обычно наносится тонкой пленкой на куски пористого вещества, например пемзы, а жидкая перекись разбрызгивается форсункой и при контакте с катализатором разлагается на пар и газ.

Перекись 100%-ной концентрации очень нестабильна, взрывоопасна, имеет довольно высокую температуру застывания, около 271 К, и поэтому в ракетной технике обычно используется перекись 80%-ной концентрации. Разложение перекиси 80%-ной концентрации обеспечивает тепловыделение около 2,26 МДж/кг, ее плотность 1,36 г/см², а температура замерзания около 250 К (—23° С), она более стабильна.

236

Т емпература парогаза с уменьшением концентрации перекиси уменьша­ется и для 80%-ной концентрации перекиси достигает 720-775 К (447-502° С). Снижение температуры парогаза облегчает условия работы лопаток газовой турбины, которые могут изготовляться из алюминия или его спла­вов, но при снижении температуры падает работоспособность парогаза и увеличивается расход перекиси. На современных турбинах ТНА
могут допускаться температуры до 1300-1400 К (1027-1127° С). Повышение температуры парогаза с перекисью можно получить, добавляя в газогенера­торм метиловый спирт
(СН₃ОН) или гидразингидрат (NH₂)₂H₂O, последний обес­печивает надежное самовос­пламенение. Смесь из пере­киси 50%-ной концентрации и 18%-го спирта обеспечивает температуру в 1075 К.
Смесь является стехиометри­ческой, взрывобезопасной и обеспечивает
снижение расхода топлива на газогенерацию до
минимума,однако использо­вание этой смеси усложняет систему питания
ПГГ, так как требуются
дополнительные емкости для спирта. Перекись, концен­трированная или разбавлен­ная водой до 80-70%, не может использоваться как охлаждающая жидкость, так как при нагревании она
разлагается. Поэтому парогазогенераторы, работающие на перекиси, обычно делаются без охлаждения стенок. Спирт же, который используется для повышения температуры парогаза, можно
использовать для охлаждения стенок генератора.

Учитывая способность перекиси к каталитическому разложению, необ­ходимо правильно подбирать конструкционный материал для газогенера­торов. Наиболее надежны в этом случае будут нержавеющие стали без хромистых присадок, чистый алюминий и его сплавы.

Состав и температуру парогаза при разложении перекиси водорода можно определить, пользуясь графиком рис. 5.11. Используя данные гра­фика, нужно учитывать, что действительная температура парогаза будет на 8-10% ниже определенной теоретически за счет неполного разложения перекиси и тепловых потерь через стенки газогенератора [2]. Относитель­ная доля

237

Содержание кислорода

к омпонентов парогаза при разложении перекиси рассчитывается по обычным формулам. Так, для паров воды на один килограмм перекиси получим:

где С — весовая концентрация перекиси в относительных долях, т. е. 0,7 или 0,8 и т. д. Кроме перекиси водорода с выделением тепла могут разлагаться и другие вещества, например гидразин, диметилгидразин, изопропил-нитрат, окись этилена и др. Однако, в современных установках существует тенденция устранять с борта ракеты специальные копкомпоненты и использовать для привода ТНА основные компоненты, поэтому ниже рассматривается только разложение гидразина и диметилгидразина

Гидразин N₂H₄ разлагается на азот и водород по реакции, которую в общем виде можно записать так:

где x- степень разложения аммиака для условий термического импульса;

Q = 335,5-184,2л; [кДж].

В то же время, разложение гидразина под воздействием термических условий может протекать по сопряженным реакциям и такой форме:

Характеристики

Список файлов книги