Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 52
Текст из файла (страница 52)
2) К вЂ” 1 К РсТ, — работоспособность газа. ср Р| Е, зависит от К= —; 8= — и ссТ,. Е, при выбранном топсн Рс пиве и заданных перепадах давления на турбине в наибольшей степени зависит от )сТс — работоспособности газа. Рассмотрим теперь зависимость второго параметра — се. кмндного расхода газа в формуле мощности турбины. Секундный расход зависит от составляющих газа. В обп1ем виъ.
можно записать Ос=О.,.+О.рг=Ос.г(1+х)=Ос.с(1+п.срс1с 15 3) здесь О„,— секундный расход горючего через газогенератор; 232 ср где К= — — отношение теплоемкостей генераториого газа при сс постоянных давлении и объеме; 5 — перепад давления на рабочем аппарате турбины Р1 . Р2 б,к, — секундный расход окислителя через газогенератор; н икΠ— действительное и стехиометрическое соотношение компонентов; сс„— коэффициент избытка окислителя в газогенераторе.
Как видно нз последней формулы, максимальный секундный расход восстановительного генераторного газа может бытьбольше расхода горючего через главный двигатель на величину 1+аг„мО. Величина яО зависит от принятого состава топлива, так для углеводородного горючего с кислородным окислнтелем хО=!,5 —:3,5; для тех же горючих с азотнокислотными окислителями кО колеблется около 5,5, а для кнслородводородного топлива нО=8,1. Величина гх„„задается около О,! — 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 кО и и,„, нетрудно установить, что максимальный секундный расход восставовительногсг генераторного газа может быть на 20 — 35О(О 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 окнслительного генераторного газа. Доля окислителя в при. меняемых химических топливах всегда значительно превосходит долю горючего, так как х всегда больше единицы, а в ряде случаев значительно больп1е единицы. Используя формулу (5.3) н записав ее с помощью расхода окислителя, получим: к аг гхО 1 Отсюда видно, что максимальный секундный расход окислитель- ного газа может быть больше расхода окислителя на величину 1+ —, т.
е. приблизительно на 5 — 15 ггО больше расхода 1 О Гг г.гкО окислителя на весь двигатель. Такие большие расходы газа обычно не требуются даже для самых мошных турбин ТНА. Следовательно, по расходу рабочего тела окислительный газогенератор обеспечивает любые потребности ТНА. Это обстоятельство является одним из основных условий наиболее широкого использования окислнтельного газа в современных ракетпых 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 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, 21. В условиях эксплуатации возникают дополнительные трудности при запуске ТНА, так как система газогенератор — газовая 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 учег пределов воспламеняемости очень существенен, потому что генераторный процесс идет в условиях крайних значений я и н, 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 газогенераторе. В первой ступени процесс, который начинается и протекает в первой зоне газогенератора, идет в условиях, близ. ких к стехиометрии или при а=0,6 †: 0,8, когда воспламенение надежно и горение топлива устойчиво. Во второй части процесса, протекающего во второй зоне газогенератора, добавляется избыточное количество горючего или окислителя и, таким образом образующийся газ доводится до желаемых пределов концентрации н 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 по величине адиабатической работы газа, которая определяет- ся по известной из термодинамики формуле: К вЂ” 11 ср 848 01 здесь К= —; гс=- —; 8= —; а= с„н 05 200 100 0 Р00 000 1200 1000 1", К Таким образом Е,н=~(К, КТ, 6), т. е. является функцией основных параметров генераторного процесса. В простейшем случае оценка может быть сделана по величине газовой постоянной как удельной работы. * На рис.
б. 9 приведены расчет- 0000 — 1- —. ные значения газовой постоянной некоторых рабочих тел в зависи- 2000 мости от температуры для условий химически равновесного состояния. Рассматривая полученные зависимости, можно отметить, что наибольшая эффектив- 2' ность получается для водорода и 1 водородкнслородного топлива. Реакции разложения гидразина, диметилгидразина и перекиси водорода дают эффективность в Рис. бхь зависимость газовой пос- тоянной некоторых рабочих тел от 4 — 7 раз ниже, чем водорода и температуры в условиях химичесводородкнслородного топлива. ки равновесного состояния: При сжигании водород-кислород- 1 — испарение нт е системе оалажие. иии; 5 — сжига ие и +о при а с1.0; тельный генераторный газ малой разложение Йтот1 . 4 — раэложеиие НДМГ; 5 — разложение атно б — сжига- ЭффЕКтИВНОСтИ С бОЛЬШОй ТЕМПЕ- '- НдМГОМ,О.
прина л1 ратурой. 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 чсловия для рабочего процесса газогенератора должны подбираться 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 прн сжигании основных компонентов топлива, при разложении одного нз компонентов основного топлива и испарении в системе охлаждения двигателя одного из компонентов топлива; при превращении его в пар и использовании рабочего тела на турбине. Уровень температуры генераторного газа прн сжигании основных компонентов определяется выбором величины коэффициенга окислителя, иначе выбором восстановительного или окислитель- ного 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 воаорояа 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. В общем виде реакция разложения перекиси может быть записана так; 2НаМпОа+ЗНзОв 2ХаОН+2МпОв+2НвО+(,1, Фактически разложение перекиси идет под воздействием перекиси магния.
Учитывая затраты тепла на испарение воды и упрощая запись реакции, получим Н,О, Н,О+ 1/20в+ 2,845 кг топл. Реакция протекает при температурах около !120 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 парогазогенераторамн (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 — 35ой-ный раствор КМп04 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 100е~о-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 80ой-ной концентрации обеспечивает тепловыделение около 2,26 МДж/кг, ее плотность 1,36 г/смз, а температура замерзания около 250 К ( — 23' С), она более стабильна. 2зв Температура парогаза с уменьшением концентрапии перекиси уменьшается и для 80Р(р-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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
