Демидов В.И., Сухов А.В., Щербаков А.А. - Общие сведения о топливах двигателей летательных аппаратов
Описание файла
Документ из архива "Демидов В.И., Сухов А.В., Щербаков А.А. - Общие сведения о топливах двигателей летательных аппаратов", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "топлива и теория рабочих процессов в жрд" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "топлива и теория рабочих процессов в жрд" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Демидов В.И., Сухов А.В., Щербаков А.А. - Общие сведения о топливах двигателей летательных аппаратов"
Текст из документа "Демидов В.И., Сухов А.В., Щербаков А.А. - Общие сведения о топливах двигателей летательных аппаратов"
Министерство высшего и среднего специального образования СССР
Московское ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени
высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана
В . И. ДЕМИДОВ, А. В. СУХОВ, А А. ЩЕРБАКОВ
Утверждено редсоветом МВТУ как учебное пособие
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВАХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Учебное пособие
«Рабочие процессы двигателей летательных аппаратов»
Под редакцией Щербакова А. А.
Москва 1984
I. Общие понятия и определения
В современных двигателях летательных аппаратов (ДЛА) энергия движения аппарата получается в результате преобразования химической, атомной (ядерной), электрической или других видов энергии.
В ДЛА, использующих химическую энергию, в камере сгорания протекает экзотермические химические реакции. Образующиеся при этом высокотемпературные продукты реакций, расширяясь, истекают через сопло двигателя с большой скоростью, создавая тягу. Возможны другие способы преобразования тепловой энергии продуктов химических реакций, в частности: привод турбин, вращающих винты или водяные насосы, нагрев в теплообменниках специальных рабочих тел двигателей и др. Но общим для этого типа двигателей является использование химической энергии топлива.
В ядерных ДЛА тепло, выделяющееся в результате деления ядер, например урана, используется для нагревания газообразного рабочего тела, которое при истечении через сопло создает тягу, необходимую для движения аппарата. Возможны и иные способы преобразования ядерной энергии в энергию движения летательных аппаратов.
В электротермических или плазменных двигателях используется для создавая тяги кинетическая энергия расширяющегося в сопле ионизированного газа - плазмы.
Наибольшее практическое применение в настоящее время имеют двигатели, использующие химические топлива. Поэтому в данном учебном пособии рассматриваются только химические источники энергии.
Химическим топливом называется вещество (или совокупность веществ), обладащее запасом энергии, которая может быть превращена в камере сгорания в результате протекания химических реакций в тепловую энергию газообразных продуктов и далее в энергию движения аппарата,
Тепловая энергия в камере сгорания может выделяться в результате протекания таких химических реакций, как:
I. Реакции разложения. Эти реакции протекают с наиболее низкам уровнем выделения тепла - в среднем 2,5...3,3 МДж/кг. Топливами, которые выделяют энергию в результате разложения, могут служить вещества, образование которых идет с поглощением энергии. Использование данных химических топлив в основных двигателях летательных аппаратов нецелесообразно из-за малых значений удельного импульса тяги. Но сравнительно низкий уровень температуры продуктов разложения делает возможным использование этих топлив в газогенераторах турбонасосных агрегатов, в двигателях специального назначения.
2. Окислительно-восстановительные реакции. При их протекании выделяется значительно большее количество тепла, чем при протекании химических реакций разложения: 8,3... 12,5 МДж/кг. Это определило наиболее широкое использование в большинстве типов ДЛА химических топлив, при горении которых в камере сгорания протекают окислительно-восстановительные реакции.
Процесс окисления условно может быть представлен как обмен электронами на внешней электронной оболочке атомов, участвующих а этом процессе. При этом атомы горючих элементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретают их. Круг веществ, между которыми протекают окислительно-восстановительные экзотермические реакции, очень широк. В большинстве случаев эти реакции протекают между двумя или несколькими индивидуальными веществами. Наиболее широкое распространение получили двухкомпонентные топлива, в которых одно вещество выступает в роли горючего, второе - в роли окислителя. Эти топлива называют также топливами раздельной подачи. Возможно использование топлива, в котором окислитель и горючее находятся в связанном состоянии в виде одного сложного вещества. Такие топлива, жидкие или твердые, называются одкокомпонентными, или унитарными, топливами.
Окислителем называется вещество или система веществ, содержащая в своем составе преобладающее количество окислительных элементов (кислород, фтор, хлор и др.). Примерами могут служить газообразный или жидкий кислород, фтор, азотная кислота, нитрат калия и др.
Горючим называется вещество или система веществ, содержащая в своем составе преобладающее количество горючих элементов (водород, углерод, металлы). В качестве горючих наиболее широко используются углеводородные горючие (керосины), азотосодержащие углеводородные горючие (амины, диметилгидразин), азотово-дородные горючие (гидразин, аммиак), водород, металлы (магний, алюминий и др.).
3. Реакции ассоциации (рекомбинация). Это реакции воссоединения одноименных атомов или свободных радикалов в молекулы. По уровню выделения энергии некоторые реакции ассоциации не уступают, а даже существенно превосходят окислительно-восстановительные. Реакции протекают по схеме: свободные радикалы или вещества в атомарном состоянии -> молекулярное (устойчивое) состояние вещества + тепло. Однако реализация ассоциации в ДЛА представляет сложную проблему из-за крайней неустойчивости веществ в атомарном состоянии. Только после освоения методов "хранения" и промышленного производства веществ в атомарном состоянии можно рассматривать их как реальные топлива.
2. Классификация химических топлив ДЛА
Составить полную классификацию химических топлив ДЛА представляется сложным ввиду того, что они могут быть образованы широким кругом веществ, который постоянно увеличивается. Используются эти вещества в различных сочетаниях в зависимости от требований, предъявляемых к двигателям. Кроме того, некоторые ЛА имеют двигатели, использующие топлива, одним из компонентов которых, чаще всего окислителем, служит окружающая среда (воздух, вода).
Поэтому представленная ниже классификация химических топлив самая общая, в которую мы ввели топлива двигателей, использующих окружающую среду.
В литературе можно найти и другие методы классификации топлив ДЛА: по типу химических реакций, по роду окислителя, по способу подачи и т.д.
В приведенной выше классификации химические топлива разбиты на четыре группы по виду агрегатного состояния их компонентов, что в большинстве случаев определяет конструктивные особенности двигателя.
К первой группе отнесены топлива с газообразными компонентами. Двухкомпонентные газообразные топлива нецелесообразно использовать на борту летательного аппарата в качестве основных топлив ввиду их малой плотности. Поэтому они в основном применяются в качестве вспомогательных топлив при наземных отработках двигателей или их отдельных агрегатов.
Большую группу топлив составляют вещества, находящиеся в жидком агрегатном состоянии. Одно из важных преимуществ жидких топлив помимо их высокой энергоемкости - возможность управления подачей жидких компонентов в камеру сгорания, что позволяет создавать двигатели с тягой от долей килограмма до нескольких сотен тонн, а также управлять работой двигателя при движении изделия. Однокомпонентные унитарные жидкие топлива, в которых реализуются реакции окислительно-восстановительные, не нашли применения из-за их высокой взрывоопасности. Используются жидкие унитарные топлива, дающие высокотемпературные газообразные продукты разложения. К ним относятся, в частности, перекись водорода, гидразин. Техническое применение они получили в качестве вспомогательных топлив для генерации рабочего тела на привод турбин гидронасосных агрегатов, наддува баков и для работы специальных двигателей малых тяг. Жидкие двухкомпонентные топлива, или топлива раздельной подачи, нашли наиболее широкое применение, поскольку они обладают большей энергоемкостью и тем самым обеспечивают двигателю достаточно высокие удельные параметры.
Раздельное "хранение" на борту ЛА и раздельная их подача в камеру сгорания позволяют использовать наиболее высокоэнергетические топливные пары, в том числе криогенные компоненты ("сжиженные газы"). Правда, использование двух компонентов требует в конструкции двигательной установки наличия двух практически идентичных гидросистем, систем подачи, управления, что делает этот двигатель более сложным, чем в случае использования жидкого унитарного топлива. Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся, что определяет характер запуска двигателя. Самовоспламеняющиеся топлива обеспечивают начало горения (начало окислительно-восстановительных реакций) в момент контакта окислителя и горючего в камере сгорания. Несамовоспламеняющиеся топлива требуют при запуске двигателя какого-либо средства воспламенения (теплового, химического). В этом смысле использование самовоспламенящихся топлив проще обеспечивает многократное включение двигателя при движении летательного аппарата, что в ряде случаев является важной характеристикой двигательной установки. Существенными конструктивными и эксплуатационнымии особенностями различаются двигатели с использованием низкокипящих (криогенных) топлив или отдельных их компонентов и высококипящих топлив.
Третью группу составляют топлива, находящиеся на борту летательного аппарата в твердом агрегатном состояний - твердые топлива. Они по своему существу являются унитарными топливами, поскольку содержат в своей массе все вещества, необходимые для протекания экзотермических реакций разложения или окислительно-восстановительных реакций между веществами, одно из которых является окислителем, другое горючим.
Твердые топлива получили широкое применение и обусловили создание большого класса двигателей летательных аппаратов. Использование твердых топлив позволяет создать более простой по конструкции двигатель, что определяется, в частности, наличием ва борту единого унитарного топлива и отсутствием необходимости в специальной системе подачи. Однако использование твердого топлива усложняет управление работой двигателя, создание двигателя с многоразовым запуском, а также обеспечение высоких удельных характеристик путем использования в оптимальном соотношении высокоэнергетических компонентов, входящих в рецептуру топлива, поскольку окислитель и горючее постоянно находятся в контакте в теле твердого топлива.
Четвертую группу представляют топлива смешанного агрегатного состояия, например, твердо-жидкое топливо, в котором один из компонентов находится в твердом агрегатном состоянии (горючее), другой - в жидком (окислитель). Особенно интересным представляется использование для летательных аппаратов, движущихся в пределах атмосферы, топлива, в котором окислителем служит воздух, и аппаратов, движущихся под водой топлива, в котором окислителем служит забортная вода. Удельные характеристики этих летательных аппаратов существенно повышаются, поскольку на борту размещается лишь один компонент - горючее (в жидком или твердом агрегатном состоянии).
3. Основные характеристики химических топлив
Для проведения энергетических и тепловых расчетов ДЛА используется ряд характеристик топлив и их продуктов сгорания. Рассмотрим основные из них.
I) Теоретически необходимое количество окислителя или стехиометрическое соотношение компонентов
Это такое соотношение расходов окислителя и горючего в единице массы топлива, при котором между горючими и окислительными элементами обеспечивается полное протекание окислительно-восстановительных реакций. Коэффициент может быть определен по формуле замещения валентностей элементов при известном массовом составе компонентов топлива.