Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 54
Текст из файла (страница 54)
— 100, где водород подогревается в системе охлаждения от 20 до 200 К, т. е. выше своих критических условий (Т„р — — 323 К), превращается в пар и удовлетворительно работает на турбине. При перепаде температуры в 180' работоспособность водородного пара ЙТ=180 424=76,5 1О' 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 12). 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 итаким 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, 9 4368 241 баллиститное или смесевое твердое топливо по составу всегда имеет избыток горючего, а продукты его сгорания представляют собой восстановительный газ, т.
е. сс 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 оронироона ПоВеркнпеогь горения оьгкпУ гагпй а) дк Рнс. б.!5. Формы зарядов для газогенераторов на ТРТ: о †зар с постоянной скоростью горения; б †зар с прогрессивным характером го- рения Рис. 5.!4.
Газогенератор с твердым топливом: à — воспааменитель; я-предохранительный клапан. 3— выход газов; Š— корпус газогенератора; Ь вЂ” заряд твердого топлива 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, давлении и температуры в газогенераторе твердого топлива. Параметры рабочего процесса генератора на твердом топливе существенно зависят от концентрации и формы заряда, его укладки в емкость газогенератора ~21.
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 прн запуске двигателя расход газа через турбину увеличивается пропорцио. нально 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.
Задача расчета сводится к определению секундного расхода заданного или выбранного твердого топлива, определению поверхности горения и формы заряда. Методика расчета значительно упрощается, если известны состав твердого топлива, его скорости сгорания, плотность и так называемая «приведенная сила», представляющая собой произведение КТ. Газовая постоянная (Р) определяется по составу продуктов сгорания заданного топлива, а температура (Т) зависит от состава топлива и условий работы газов на лопатках газовой турбины.
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— 20 кгс/ем~. В открытых схемах перепад давлений на турбине может быть больше до 40 — 50 кгс/см'. 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 горюче. го основного топлива двигательной установки. Задаваясь значением КПД газовой турбины, используя известную формулу )с) 7.а (~секла 75 (5. 5) можно, решая ее относительно секундного расхода, найти 75Х, сек.г а.Лт (5.
6) Зная плотность принятого для газогенерации твердого топлива, можно найти секундный объем газов — продуктов сгорания: осек.г 1 сек.г )г сек.т.т. Уг.г (5. 7) Тогда поверхность горения твердого топлива определяется по формуле к' Рассек.т.т а (5. 8) теуктге Т здесь р1 — давление в газогенераторе, кг/см', и — скорость сгорания твердого топлива, см/с; ут, — плотность твердого топлива, кг/м', для современных топлив около 1,4 — 1,6; ге=„рл где рг — давление в газогенераторе, кг/смз; и, — начальная скорость горения, зависящая от состава твердого топлива, температуры горения топлива при давлении в! кг/смт! п — показатель степени, зависящий от состава топлива.
Ниже приводится табл. 5.7 исходных характеристик некоторых известных твердых топлив, по которым можно орнентироТаблица 5.7 Температура горения Начальная скорость горе- ния, см/с Показа- тель и Топливо 255 К 294 К ( — 18' С) (21 С) 333 К (60 С) 0,71 0,69 0,65 0,7! 0,42 0,52 0,69 0,70 0,0832 0,0879 0,0608 0,0270 0,1324 0,2135 0,0913 0,0775 0,1011 0,1069 0,0699 0,0315 0,1485 0,2283 0,1060 0,0436 О, 0683 0,7062 0,0528 0,0233 О,!183 0,1993 0,0785 0,0323 2900 2900 2200 -3200 -3200 2500 ЗР 3Р)Ч А-2 Немецкое Японское А-3 А-! Мелленногорянгее нит- роглинериновое 3000 2060 3300 2330 8 — опытный коэффициент, больший единицы, учитывающий снижение температуры газов на лопатках газовой турбины; )геен,г — объем газов — пРодУктов сгоРании; г( — газовая постоянная; Т вЂ” температура газов при горении твердого топлива.
Выше уже отмечалось, что температура горения довольно высока и необходимо обеспечивать охлаждение продуктов горения твердого топлива до их поступления на лопатки газовой турбины, где допускаемая температура не может быть выше 1100 — 1400 К. Снижение температуры газов, естественно, уменьшает их работоспособность и требуется увеличение расхода топлива или точнее увеличение поверхности горения. Это и обеспечивается опытным коэффициентом 8, который подбирается экспериментально и пропорционален отношению теоретической температуры горения твердого топлива к температуре, допустимой на лопатках газовой турбины, т. е. около 2,5 — 3,3 раза.
Скорость горения твердого топлива зависит от давления в генераторе и обычно определяется по формуле ваться при выборе топлива для газогенератора или пусковых твердотопливных шашек для раскрутки ТНА. Если полагать, что допустимая на лопатках газовой турбины температура газа не должна превышать 1200 К, то для указанных в таблице теоретических температур горения названных твердых топлив можно рекомендовать значения коэффициента О в пределах от 2,3 до 3,3. В настоящее время разработана довольно широкая рецептура твердых топлив для газогенераторов, позволяющая получить довольно низкие температуры газов, около 1500 †18 К, обеспечивающих в то же время весьма высокое газообразование.
Глава б ОЦЕНКА И ВЫБОР ТОПЛИВА Оценка и выбор топлив для двигателя производится на основе подробного анализа показателей, характеризуюших энергетические н эксплуатационные качества топлива, а также учета скорости полета аппарата, на котором используется топливо. К числу основных показателей топлива относятся удельный импульс тяги, теплопроизводительность топлива, плотность, отношение окислителя к горючему и коэффициент избытка окислителя. Число эксплуатационных показателей значительно шире, главнейшими из них являются температура плавления и кипения компонентов топлива, склонность к взрыву и пожару, токсичность, стабильность, коррозионная активность и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
