Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 45

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

Текст из файла (страница 45)

затем протекает вторая форма разложения

Тепловыделение: Q₁ = 335,5 кДж; Q₂= 184,2 кДж.

Это теоретическое разложение вначале должно обеспечиваться небольшим тепловым импульсом с температурой до 550-650 К. Дальнейшее разложение протекает уже за счет собственного тепловыделения продуктов реакции, и реакция самоподдерживается [1, 2].

238

Вторая фаза реакции - диссоциация аммиака на азот и водород протекает с поглощением тепла, но общий баланс тепловыделения положительный, хотя избыток тепла незначителен. Характер протекания реакции разложения гидразина сказывается на величине температуры газа, и конструкция газогенератора должна обеспечивать развитие реакции разложения до желаемых пределов диссоциации аммиака. Расчеты, проведенные в предположении равновесия, показывают, что первая фаза реакции обеспечивает температуру до 1575 К. При полном разложении гидразина и полной диссоциации аммиака температура газа может снизиться до 875 К, но при этом в продуктах реакции будет довольно много водо-рода. Опираясь на график (рис. 5.12), можно показать, что изменение работоспособности газа RT в за-висимости от степени диссоциации аммиака х в пределах от 0,0 до 0,8 не превышает 7%. В то же время изменение температуры газа весьма значительно и достигает перепада около 600°. Указанные изменения температуры ориентировочны потому, что условия химического равновесия, принятые в расчетах, едва ли могут быть выдержаны из-за очень малого, около 0,01 с, времени пре-бывания гидразина в рабочей зоне газогенератора. Отсюда следует, что, воздействуя на время пребывания гидразина в зоне разложения, можно в довольно широких пределах регулировать температуру генераторного газа, практически от 975 до 1400 К. Время пребывания гидразина в газогенераторе обычно зависит от конструкции газогенератора - объема камеры, длины пути тазов и жидких компонентов, величины первоначального теплового импульса и т. д. [2 , 40].

Разложение диметилгидразина C2N₂H₈

Несимметричный диметилгидразин так же, как и гидразин, при нагреве до 625 К разлагается [35, 40]. Начало разложения наблюдается при температуре в 400 К (127° С). С увеличением температуры увеличивается интенсивность разложения и при температуре разложения около 775 К (500° С) происходит взрыв. Разложение диметилгидразина идет в условиях сопряженных реакций по следующей схеме:

239

Обе реакции с положительным тепловыделением:

Развитие и относительная значимость той или иной из сопряженных реакций, количество выделившейся энергии и температура генераторного газа зависят от условий протекания реакции. На эти условия влияют: время пребывания диметилгидразина в зоне разложения, величина и характер первоначального теплового импульса, обеспечивающего разложе-ние, конструктивная схема газогенератора. В продуктах разложения НДМГ, в первую очередь, появ-ляются аммиак, водород, метан, азот и углерод в виде сажи; могут быть и пары неразложившегося диметилгидразина. Относительная доля каждого из названных продуктов будет зависеть от характера развития сопряженных реакций.

Удлинение времени пребывания НДМГ в газогенераторе приводит к развитию диссоциации и увеличению доли водорода - это положительное явление. Но удлинение времени пребывания НДМГ увеличивает выделение твердого углерода, а это вредно, так как отложения сажи уменьшают сечения газоводов. Пои этом нарушается нормальный режим работы газогенератора. На показатели генераторного газа, полученного при разложении диметилгидразина, влияет величина давления в газогенераторе. С увеличением давления заметно растет температура, а работоспособность газа незначительно падает (рис. 5.13). Это связано с уменьшением диссоциации продуктов разложения при повышении давления.

Испарение охлаждающего двигатель компонента топлива

Рабочее тело для привода газовой турбины ТНА можно получить, используя испарение одного из компонентов топлива в системе охлаждения ракетного двигателя. Компонент топлива, использующийся для охлаждения стенок камеры и сопла двигателя, обычно нагревается до очень высоких температур и превратить его в пар в системе охлаждения не представляет больших трудностей, хотя это не всегда допустимо для нормальной работы конструкционных элементов самой системы охлаждения.

240

Рабочее тело, полученное испарением компонента топлива, всегда будет иметь меньшие температуры газа, чем это может быть получено в любом газогенераторе. Для получения достаточного уровня работоспособности пара необходимо высокое значение его газовой постоянной. Это условие можно получить для ограниченного круга веществ, и поэтому система не получила широкого распространения на практике [2].

Высокое значение газовой постоянной имеет прежде всего водород. Использование его в качестве пара для привода турбины ТНА выполнено на американском ракетном двигателе RL - 100, где водород подогревается в системе охлаждения от 20 до 200 К, т. е. выше своих критических условий (Г_кр=323 К), превращается в пар и удовлетворительно работает на турбине. При перепаде температуры в 180° работоспособность водородного пара

RT= 180*424 = 76,5*10³ кгм/кг.

Если сравнить эту цифру (см. рис. 5.8) с работоспособностью парогаза, получаемого от разложения перекиси водорода, то видно, что разница существенная. Получение рабочего тела для турбины ТНА методом испарения на практике обеспечивается двумя схемами, замкнутой и открытой [2].

В замкнутой схеме используется компонент, который после работы на турбине конденсируется, затем снова испаряется и работает на турбине. Таким образом, в замкнутой схеме осуществляется замкнутый цикл работы испаряемого компонента, его количество должно быть постоянно. В условиях применения замкнутой схемы увеличивается масса всей установки. В случае утечек работа схемы нарушается, двигатель останавливается.

В открытой схеме испаряемый компонент топлива после работы на турбине сбрасывается за борт ракеты. Сброс можно осуществить через рулевые или дополнительные сопла и таким образом несколько улучшить экономику открытой схемы, в противном случае, открытая схема не экономична. Открытая схема довольно просто управляется и регулируется, вес ее незначителен.

Использование твердого топлива

Рабочее тело для привода газовой турбины ТНА можно получить, сжигая твердое топливо. Наиболее широко твердое топливо применяется для раскрутки турбонасосного агрегата в условиях запуска двигателя. Подача основных компонентов топлива в газогенератор невозможна при неподвижных насосах.

В момент запуска двигателя насосы раскручиваются газовой турбиной, использующей энергию потока продуктов сгорания заряда твердого топлива, который располагается в специальной емкости на корпусе турбины или для одноразовых стартов иногда закладывается в газогенератор (рис. 5.14). Как известно,

241

баллиститное или смесевое твердое топливо по составу всегда имеет избыток горючего, а продукты его сгорания представляют собой восстановительный газ, т. е. а меньше единицы. Однако, использовать обычное твердое топливо для газогенераторного процесса нельзя потому, что температура газа будет недопустимо высока для лопаток газовой турбины.

В состав шашки твердого топлива, используемого для при­вода турбины ТНА, необходимо ввести специальные присадки

или обогатить это топливо горючим для получения допустимых температур. Такие топлива называют «холодными». В составе их продуктов сгорания могут быть углекислота, окись углерода, углерод в форме сажи, азот, водород, метан и водяные пары. Относительные доли этих газов определяются в зависимости от состава компонентов топлива, давления и температуры в газогенераторе твердого топлива. Параметры рабочего процесса генератора на твердом топливе существенно зависят от концент-рации и формы заряда, его укладки в емкость газогенератора [2].

На заданном режиме работы ТНА расход газа через турбину постоянный, что отвечает постоянному газовыделению при горении твердотопливной бронированной шашки с постоянной поверхностью горения.

В условиях раскрутки турбонасосного агрегата при запуске двигателя расход газа через турбину увеличивается пропорционально частоте вращения турбины. Увеличение расхода газа можно обеспечить зарядом твердого топлива с прогрессивным характером горения. Такие шашки показаны на рис. 5.15.

Расчет размеров заряда твердого топлива, обеспечивающего раскрутку и работу газовой турбины на заданном режиме, производится с учетом времени работы ТНА или времени горения заряда, количества сгоревшего твердого топлива, работоспособности данного состава твердого топлива и его температуры горения.

242

Задача расчета сводится к определению секундного расхода заданного или выбранного твердого топлива, определению по-верхности горения и формы заряда.

Методика расчета значительно упрощается, если известны состав твердого топлива, его скорости сгорания, плотность итак называемая «приведенная сила», представляющая собой произведение RT. Газовая постоянная (R) определяется по составу продуктов сгорания заданного топлива, а температура (Т) зависит от состава топлива и условий работы газов на лопатках газовой турбины.

можно, решая ее относительно секундного расхода, найти

Зная плотность принятого для газогенерации твердого топлива, можно найти секундный объем газов - продуктов сгорания:

Тогда поверхность горения твердого топлива определяется по формуле

В предварительном расчете температура газов в генераторе может соответствовать уровню горения штатных твердых топлив, т. е. около 2000-2500° С. Перепад давления газов на турбине обычно выбирается в зависимости от принятой схемы двигательной установки. В замкнутых схемах это будет около 25-30 кгс/см². В открытых схемах перепад давления на турбине может быть больше до 40-50 кгс/см². Таким образом, зная состав газов - продуктов сгорания твердого топлива, газовую постоянную, температуру и перепад давления, можно подсчитать адиабатную работу газов на 1 кг сожженного в газогенераторе твердого топлива. Мощность газовой турбины также известна, она должна обеспечивать работу насосов окислителя и горючего основного топлива двигательной установки. Задаваясь значе-нием КПД газовой турбины, используя известную формулу

Характеристики

Список файлов книги