Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 65
Текст из файла (страница 65)
лт, дж/ кт 980 784 588 392 196 0 Т, К 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Компонент или вода д Т/д1 па 3000 24ОО 1800 1200 600 0 0 1,0 1,52 Рис. 7.49. Схемы ЖГГ: Рис. 7.48. Зависимость Т, ЯТ и дТ/д1п а от а для топлива, являющегося смесью кислорода и керосина при р =3,92 МПа а — с одноступенчвтым подводом топ- ливе; б — с двухступенчатым подводом топлива 393 7.5. Газогенераторы При одноступенчатом подводе (рис. 7.49, а) все топливо подается через головку и в камере ЖГГ происходит сгорание при заданном соотношении компонентов.
Такой тип ЖГГ пригоден для легко испаряющихся и легко воспламеняющихся топлив. При двухступенчатом подводе (рис.7.49,б) часть топлива (окислителя при а» 1, горючего при а «1 или воды) подается через специальные форсунки или пояс форсунок, размещенных на некотором отдалении от головки. Такая схема подачи топлива может быть рациональной при большом смещении соотношения компонентов от стехиометрического или при подаче воды.
В этом случае через головку подается топливо с соотношением компонентов, более близким к стехиометрическому, что обеспечивает надежное воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания высокой температуры. Для снижения температуры газов через пояс форсунок подается дополнительная порция топлива. При этом происходят сложные процессы испарения, разложения, а в некоторых случаях и догорания дополнительно впрыснутого компонента. Особенно усложняется процесс при дополнительном впрыске углеводородного горючего, когда могут иметь место выделение сажи и коксообразование.
В трехкомпонентном ЖГГ для снижения температуры рабочего тела производят баллистировку рабочего тела (подачу третьего компонента). При этом подачу третьего компонента можно производить как через отдельный пояс, так и со стороны головки. Особенности процессов и расчет ЖГГ Вследствие большого избытка одного из компонентов и необходимости обеспечения сравнительно низкой температуры рабочего тела характерны следующие особенности организации процесса образования рабочего тела в ЖГГ.
1. Особенности воспламенения. При большом смещении коэффициента избытка окислителя соотношение компонентов становится близким к пределам воспламеняемости и воспламенение затрудняется. Один из способов обеспечения надежного воспламенения — применение двухступенчатого подвода топлива. При подаче топлива только от головки в некоторых случаях необходимо обеспечить надежно воспламеняемое ядро, что достигается соответствующим размещением форсунок. 2.
Температурная и химическая неравномерность состава газов. Вследствие большого избытка одного из компонентов и низких температур часть избыточного компонента может испариться и не вступить в реакцию. При этом подогрев этой части газов будет происходить только за счет отбора тепла от продуктов сгорания прореагировавшей части топлива. 394 Глава 7. Турбонасосные агрегаты 3. Частичная неравновесность процесса. Вследствие низких температур химические реакции протекают более медленно, чем, например, в камере ЖРД. В результате этого изменение состава продуктов сгорания не успевает следовать за изменением температуры и равновесное состояние не устанавливается.
Особенно велика степень неравновесности при двухступенчатом подводе топлива, когда вследствие впрыска холодной дополнительной порции топлива (или воды) происходит частичное «замораживание» состава продуктов сгорания. 4. Влияние химического состава топлива. При использовании компонентов топлива, имеющих сложную молекулу, вследствие сравнительно низких температур в камере ЖГГ возможно образование продуктов сгорания со сложным молекулярным строением, а при большом избытке углеводородного горючего, кроме появления в продуктах сгорания сложных молекул (например, СНм СзН2), возможно выделение углерода в твердой фазе (сажи).
При избытке компонента с более простой молекулой (например, кислорода в топливе, являющемся смесью кислорода и керосина) наличие сажи не наблюдается. Вследствие отмеченных особенностей организации и протекания процесса в ЖГГ точный расчет параметров работы ЖГГ оказывается более сложным, чем расчет параметров в камере сгорания ЖРД. В ряде случаев расчет ЖГГ возможен только с использованием эмпирических коэффициентов, позволяющих корректировать данные расчета в соответствии с типом ЖГГ и применяемым топливом.
Рассмотрим упрощенные схемы расчета ЖГГ для трех случаев работы ЖГГ: — при избытке окислителя; — при избытке углеводородного горючего; — при впрыске воды. Расчет при избытке окислителя. В этом случае при расчете можно исходить из предположения, что сгорание полное, а диссоциация отсутствует. Тогда продукты сгорания четырехэлементного топлива будут состоять из СОв НзО, Хз и Оз. Массовые доли компонентов продуктов сгорания следующие: Ысо, = — С,, Ын,о =9Н,, Вн, =Хт Яо2 =Π— -Ст 8Нт (7.95) 11 8 Естественно, что Ясо, +Кн,о+Вы, +Ко, =1. (7.96) Температура получаемых продуктов сгорания определяется, как обычно, из условия равенства полной энтальпии топлива и продуктов сгорания: 395 7.5. Газогеперап!оры (7.97) 1п.т = 1п.п.с, где гппс = ~', (и!Ф = ~псо,Ысо, + ~пи,оган,о + ~пи,Ян, + ~по~Ко~ ° (7.98) Рсн4 и-! Рсгнг ~-!! Рс4н! у-!и 2 2 РН! РН! РН2 (7.99) Рсо, и! г Рсо (7.100) Рассмотрим порядок расчета на примере трехэлементного топлива (Н, С, О).
Обозначив через !) массовую долю твердого углерода и предполагая, что для трехэлементного топлива состав остальных продуктов сгорания будет характеризоваться парциальными давлениями рсо2, рсо, Рн2о Рн2, Рспп (угле водородами типа С„Н пренебрегаем), систему уравнений, определяющую состав, можно записать в виде: 1) уравнений баланса Сс — !) 12 рсо+ рсо, + рсн, О 16 2рсо, + рсо + рн,о Н, 1 2рн, + рн,о+4Рсн, .
О 16 2Рсо, +Рсо+Рн,о (7.101) 2) уравнений констант равновесия Рсн4 4(.! Рсо 7~~ч РсоРн,о 7~ч. (7 102) 2 ' 2 Рн, Рсо РсогРн! Здесь 1„! — полная энтальпия компонентов продуктов сгорания. Если расчетная температура получится отличной от заданной для ЖГГ, необходимо изменить состав топлива, для нового топлива определить состав продуктов сгорания и полную энтальпию топлива 1„а и, решая уравнение (7.97), найти новую температуру. Расчет при избытке углеводородного горючего. В этом случае расчет осложняется тем, что в составе продуктов сгорания возможно появление твердого углерода (сажи) и углеводородов, в первую очередь СН4, а также углеводородов типа С2Н2, С2Н4 и т.
д. Наличие углерода и газообразных углеводородов приводит к появлению дополнительных уравнений констант равновесия: Глава 7. Турбонаеоеные агрегаты 396 3) уравнения, выражающего равенство суммы парциальных давлений давлению в ЖГГ согласно закону Дальтона: Ртт =в~' Р . Решая совместно уравнения (7.101) — (7.103) при заданных температуре и давлении, определяем состав продуктов сгорания.
Температуру получаемых продуктов сгорания определяем, решая уравнение (7.97): 1пл = (1п.п.с)т, где 1 — ц ~ и 1п.п.с = ~1п~Ре Ь 1Сэ ЕН~Р~ Нс (7.104) Нс и 1с — относительная молекулярная масса и энтальпия твердого углерода. Для полученных продуктов сгорания энтропия определяется уравнением (7.105) т' тст ~оп.п.с 1п.п.с 1плпс (7.106) т' где 1пп, и 1„ссс — полная энтальпия продуктов сгорания топлива ЖГГ в первой зоне при одинаковом («замороженном») составе при температурах Т и Тп-. 1ппс = 7,1п~р! =1т~ 1пйс = ~1 ""Р1 (7107) где Яс — энтропия твердого углерода.
Расчет при впрыске воды. Задача расчета сводится к определению количества воды, необходимого для снижения температуры продуктов сгорания топлива, подаваемого в ЖГГ, до заданной. Температуру Т' и состав продуктов сгорания, полученных в первой зоне ЖГГ, определяем обычными методами расчета. Считаем, что при впрыске воды в горячие продукты сгорания происходит их резкое охлаждение до заданной температуры Тгг и состав продуктов сгорания измениться не успевает (т. е.
происходит «замораживание» состава). При этом вода испаряется и пары воды нагреваются до Тп. Уменьшение полной энтальпии продуктов сгорания найдем по формуле 7.5. Газогенераторы 397 В соответствии с законом сохранения энергии уменьшение полной энтальпии продуктов сгорания Ы„„, пойдет на увеличение энтальпии воды, превращенной в пар: Л~ .=ОЗ НзО. (7.108) Обозначив через о количество воды, подаваемой для охлаждения 1 кг продуктов сгорания, определим А7.Н.О =ст(7."Й,О-7.н,о ) (7.109) где 1„н Π— полная энтальпия жидкой воды при температуре подачи. и Нсож Подставляя выражения (7.106) и (7.108) в равенство (7.109), найдем т г„„ ! ~п.п.с з п.п.с о= рггг ( пНгО пНсож (7.110) Газовая постоянная получившейся смеси паров воды и продуктов сгорания определяется выражением )1ГГ Йнг(КЕНЗО + с;п.Лп.с~ (7.111) ГДЕ дН,О И дж, — МаССОВЫЕ ДОЛИ ПаРОВ ВПРЫСНУтОй ВОДЫ И ПРОДУКТОВ СГОРания в смеси: О 1 КН20 — Кп.с— (7.112) 1+о ' 1+о Данную схему можно использовать и для расчета состава и температуры рабочего тела двухкомпонентного ЖГГ с двухступенчатым впрыском, если принять допущение о полном «замораживании» продуктов сгорания, образовавшихся до впрыска, и считать, что дополнительная порция компонента только испаряется, не участвуя в реакции.
Очевидно„что в зависимости от применяемого топлива и типа ЖГГ (сс «1 или а» 1) правомерность таких допущений будет различной. Допущения более приемлемы при дополнительном впрыске компонентов с простой молекулой. Объем ЖГГ, если нет опытных данных, можно определять аналогично объему камеры сгорания ЖРД по условному времени пребывания (3.3). При этом, учитывая меньшие температуры и особенности организации процесса в ЖГГ, условное время пребывания в ЖГГ необходимо брать в 1,5 — 3 раза ббльшим, чем для камеры сгорания ЖРД, работающей на том же топливе. В заключение отметим, что расчет продуктов сгорания в ЖГГ может быть выполнен по универсальным программам, например «АСТРА», в предположении полного термодинамического равновесия или с учетом заданной степени неадиабатичности в камере сгорания ЖГГ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
