Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 64
Текст из файла (страница 64)
1200 К. Величина ЯТ рабочего тела характеризует его работоспособность и зависит от применяемых компонентов и их соотношения. В двигательных установках с дожиганием типа «газ+жидкость» суммарный расход компонентов через ЖГГ в конечном счете определяется принятой температурой рабочего тела, так как один из компонентов ЖРД подается в ЖГГ полностью и расход его через ЖГГ равен расходу в камеру ЖРД, а расход второго подбирается так, чтобы температура рабочего тела была равна заданной. При схеме с дожиганием типа «газ + газ» расходы компонентов через каждый ЖГГ определяются из условия обеспечения заданной температуры рабочего тела. Расчет расходов приведен далее, в 8 8.3. й чз о О1 о о и ф И а Рнс.
7.41. Турбонасосный агрегат самолетного ЖРД: 1 — уплотнение; 2 — корпус турбины; 3 — сопловой блок; 4 — входной коллектор турбины; 5 — диск турбины; 6 — упорное кольцо под- шипника; 7 — подшипник; 8 — диффузор насоса горючего; 9 — крыльчатка насоса горючего; 10 — уплотнение насоса горючего; 11— уплотнение; 12 — диффузор насоса окислителя; 13 — крыльчатка насоса окислителя; 14 — уплотнение насоса окислителя; 15 — предна- сос; 16 — корпус преднасоса; 17 — уплотнение; 18 — упорное кольцо подшипника; 19 — подшипник; 20 — уплотнение насоса горючего; 21 — дренаж горючего и масла; 22 — уплотнение; 23 — дренаж парогаза Глава 7. Турбанаеаеные агрегаты 386 В двигательных установках без дожигания расход компонентов через газогенератор определяется из условия обеспечения необходимой мощности ТНА.
Зная необходимую мощность турбины ТНА для обеспечения подачи топлива, определим необходимый расход рабочего тела, вырабатываемого газогенератором, из формулы (7.55): лггг = (7 87) ~алЧт Рассмотрим работу и устройство различных типов газогенераторов на жидком топливе. Парогазогенераторы В парогенераторах рабочее тело образуется в результате разложения однокомпонентного топлива. В табл. 7.3 приведены некоторые топлива для ПГГ. Рис.
7.43. Общий вид ТНА РД-170 [36) Табл и ца 7.3 Свойства рабочих тел ПГГ при ргг = 6 МПа Наиболее распространено использование в ПГГ перекиси водорода различной концентрации. При этом разложение перекиси водорода в ПГГ происходит под воздействием катализатора. В качестве катализатора используют как жидкие катализаторы (водные растворы перманганатов ХаМп04, КМпОл), так и различных типов твердые катализаторы.
В качестве твердого 7.5. Газогенераторы 387 Рис. 7.44. Внешний вид ЖГГ РД-170 [36] катализатора применяются зерна какого-либо пористого вещества, в порах которого осаждено катализирующее вещество (чаще тот же КМп04), или катализирующие сетки. На рис. 7.45 показаны схемы ПГГ, работающих на перекиси водорода при использовании жидкого или твердого катализатора.
Большее распространение получили ПГГ с твердым катализатором. Температура и состав парогаза, вырабатываемого путем разложения перекиси водорода, определяется (если не учитывать некоторой неполноты разложения перекиси и тепловых потерь) концентрацией перекиси, поступающей в реактор. При расчете состава парогаза следует исходить из того, что при тех низких температурах, которые имеют место в реакторе ПГГ, диссоциация продуктов разложения отсутствует и парогаз состоит из паров воды и свободного кислорода (пренебрегаем содержанием катализатора и продуктов его разложения). Один грамм-моль перекиси (34 г) при разложении дает 1 грамм- моль воды (18 г) и 1/2 грамм-моля кислорода (16 г).
Относительное содержание паров воды и кислорода зависит от концентрации перекиси. Если обозначить концентрацию перекиси через о„то состав парогаза будет следующий: — количество паров воды в 1 кг продуктов разложения перекиси 18 кг Н2О кн,о =(1-о,)+ — о„ 34 кг парогаза (7.88) — содержание кислорода 16 кг Оз аког оо э 34 кг парогаза (7.89) 388 Глава 7. Турбонасосные агрегаты Рис. 7.45. Схемы перекнсеводородных ПГГ: а — с жидким катализатором; б — с твердым катализатором; 1 — подвод перекиси; 2 — форсунка перекиси водорода; 3 — форсунка катали- затора; 4 — подвод катализатора; 5 — корпус; б — шнек; 7 — сборник парогаза и отводящая труба; 8 — катализатор При использовании жидкого катализатора в величине О, должно учитываться количество воды, поступающей с раствором перманганата.
Зная состав перекиси и теоретическую температуру парогаза, из условия равенства полных энтальпий перекиси с концентрацией О, и продуктов разложения на- ходим 1п Нгог = (Киг01п Нго + Дог 1п Ог ). (7.90) 1пи О = Оп1пи О +(1 Оо)1пи Ож +(1 0о)г~г1ра~ (7 91) где 1пн,о и 1пог — полные энтальпии паРов НгО и Ог, значениЯ котоРых определяются при заданной температуре по таблицам из справочников тер- моДинамических свойств; 1.
н,о, — полнаЯ энтальпиЯ НгОь ДлЯ пеРекиси с концентрацией сг, имеем 7.5. Газогенераторы 389 69 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 оо ягг, дж/(кг к) 400 тгг к 1500 1200 390 380 600 370 300 0,7 0,75 0,8 0,85 360 0,9 0,95 и Рис. 7.46. Относительная массовая концентрация (а), температура и газовая постоянная (б) продуктов разложения перекиси водорода раз- личной концентрации„ргг = 7 МПа где 1„н,от — полная энтальпия жидкой воды, Л1р„, — теплота растворения Воды В Н202.' И = — 46 10 Дж/кг Н20. Решая уравнение (7.90), определим температуру. На рис. 7.46 приведены данные по расчету состава и теоретической температуры парогаза, полученные по универсальной программе «Астра» 1161. Действительная температура парогаза будет меньше за счет потерь тепла в связи с неполным разложением перекиси и за счет охлаждения парогаза в реакторе и трубопроводах и составит 0,92...
0,95 от теоретииайкой. При определении размеров реактора ПГГ, работающего на жидком катализаторе, можно исходить из того, что в 1 л объема при давлении 2...3 МПа можно с хорошей полнотой разложить за одну секунду 1 кг 80-процентной перекиси. Расход жидкого катализатора составляет 7... 8 % от расхода перекиси. Глава 7. Турбанасасные агрегаты 390 Расчет размеров реактора, работающего на твердом катализаторе, проводят, определяя массу и размеры пакета катализатора. Для этого расчета используются две величины. Первой величиной является допускаемый удельный расход перекиси, выраженный в кг/с, который может разложить 1 кг твердого катализатора. Эту величину обозначим кг НгОз— с Я= 1 кг катализатора Вторая величина — полный ресурс катализатора Я кг Н20т на 1 кг катализатора, понимаемый как полное количество перекиси в килограммах, которую может разложить 1 кг катализатора за все время своей работы.
Пользуясь этими величинами, легко определить массу пакета катализатора: Мн,о, кат 5 , кг. Найденная масса проверяется на полный ресурс следующим образом. Полный расход перекиси за все время работы двигателя тр должен быть меньше, чем полный ресурс данного количества катализатора: (7.93) Мнтоттр - М ато М„„ кат Р кат (7.94) Жидкостные газогенераторы Преимущество ЖГГ по сравнению с ПГГ состоит в возможности использования для работы ЖГГ основных компонентов, на которых работает ЖРД; ЖГГ допускают регулирование суммарного расхода рабочего тела и соотношения расходов окислителя и горючего (т. е. температуры рабочего тела). В двигательной установке с замкнутой схемой в ЖГГ происходит значительная Величины в и Ю зависят от применяемого катализатора.
При меньших ресурсах 5 величина в может быть значительно увеличена. Это объясняется тем, что при повышении удельного расхода перекиси за счет больших скоростей движения перекиси и парогаза через пакет катализатора увеличивается износ катализирующего вещества. Объем пакета катализатора ~'„„находится по насыпной плотности катализатора р „: 391 7.5. Газогенераторы Рис. 7.47. Жидкостный газогенератор двигателя КХ-2: 1 — уплотнение; 3 — подвод горючего (- 1О М); 3 — сливной кран; 4 — центробежная форсунка; 5 — штуцер для замеров; б — головка; 7 — форсунки горючего; 8 — форсунки окислителя; 9 — отверстия для запала; 30 — уплотнение часть процессов преобразования топлива ЖРД в продукты сгорания.
Чаще ЖГГ работают на основных компонентах ЖРД (рис. 7.44, 7.47). Главная особенность и отличие ЖГГ от камеры сгорания состоит в том, что ЖГГ работают при «смещенном» и, т. е. при коэффициенте избытка окислителя а» 1 или при а «1. В обоих случаях соотношение между компонентами определяется из условия обеспечения принятой температуры рабочего тела. Жидкостные газогенетраторы, работающие при а» 1, называют окислительньиии, или просто «кислыми», а работающие при сс «1, называют восстановительными, или «сладкими». Выбор типа ЖГГ (окислительного или восстановительного) определяется назначением ЖГГ, применяемыми компонентами и схемой двигательной установки.
В двигательной установке с дожиганием типа «газ + жидкость» выбор окислительного или восстановительного ЖГГ определяется в конечном счете работоспособностью рабочего тела, подаваемого на турбину, т. е. произведением (тртТ) В двигательной установке без дожигания для получения рабочего тела заданной температуры можно в равной мере использовать ЖГГ и при а» 1, и при сс «1.
Окончательный выбор окислительного или восстановительного ЖГГ в этом случае определяется применяемыми компонентами и специфи- Глава 7. Турбонасосные агрегаты 392 кой работы агрегатов двигательной установки (конструкция, материалы, назначение установки). Для примера на рис. 7.48 показаны теоретические зависимости изменения Т и ГтТ, а также скорости изменения температуры дТ/д)п а для топлива, являющегося смесью кислорода и керосина, в широком диапазоне изменения а. Анализируя эти графики, мы видим, что, например, при температуре рабочего тела 1500 К значение ГтТ для восстановительного ЖГГ в два раза больше, чем для окислительного, а скорость изменения температуры дТ/д1п сх несколько меньше, что часто более благоприятно для работы двигательной установки. Однако в восстановительном ЖГГ возможно выпадение сажи, коксообразование, что уже является отрицательным фактором.
В двигателях первых ступеней ракет-носителей «Атлас», «Сатурн», работающих на топливе, являющемся смесью кислорода и керосина, используется восстановительный ЖГГ, а ракет-носителей «Энергия», «Зенит» — окислительный. При использовании ЖГГ для наддува баков тип генератора определяется условиями предотвращения догорания в баках. Для наддува бака окислителя, естественно, применяется окислительный ЖГГ, для бака горючего — восстановительный. По способу организации процесса получения рабочего тела различают ЖГГ с одноступенчатылв и двухступенчатым подводами топлива (однозонные и двухзонные), например в ЖРД РД-120, РД-170 и РД-253, РД-301 соответственно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
