Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
Твердотопливный газогенератор. В качестве источника газа в ТГТ используется заряд твердого вещества, генерирующий при сгорании или разложении газ с заданными физико-химическими характеристиками. Один из образцов ТГТ приведен на рис.84.  Рис.84 Твердотопливный ГГ 1—корпус ТГГ; 2—воспламенитель; 3—пружина; 4-заряд;5,9-гайки; б, 11— шайбы; 7-прокладка; 8- диафрагма; 10—сопло; /2-крышка. К веществам, используемым в ТГГ, предъявляют следующие основные требования: возможно большее значение RT при конструктивно допустимых температурах, физическая и химическая стабильность при хранении и эксплуатации, способность устойчиво гореть при заданных температуре и давлении, однозначность физико-химических свойств в партии зарядов, отсутствие или минимальное количество твердых частиц в газе, минимальное коррозионное и эрозионное воздействие газа на конструктивные элементы, минимальное отклонение параметров газа от расчетных при работе в заданном диапазоне температур окружающей среды и др. Выбор состава твердого топлива. В состав заряда ТГГ в общем случае могут входить окислитель, горючее, замедлители горения, флегматизаторы (добавки, уменьшающие чувствительность составов к трению и удару), связующие вещества (органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность спрессованных составов), вещества технологического назначения (например, растворители для связующих). Следует отметить, что одно и то же вещество может выполнять в составе заряда несколько функций, например связующие выполняют функцию горючего, а в некоторых случаях и замедлителей горения. Основой всякого состава является смесь окислителя с горючим. Давление в камере ТГГ для заданной конструкции камеры и вида твердого топлива определяется газопроизводительностью заряда и расходом газа через критическое сечение сопла. Связь между этими параметрами определяется зависимостями, с помощью которых можно по заданному давлению в камере сгорания и поверхности горения заряда определить площадь сопла. При проектировании нужно стремиться к снижению гидравлического сопротивления по газовому тракту и обеспечению его постоянства по времени. Наибольшая величина гидравлических сопротивлений обычно приходится на диафрагму, поддерживающую заряд. Через отверстия диафрагмы газ истекает в предсопловой объем. Гидравлическое сопротивление диафрагмы рассчитывают по общим формулам газодинамического расчета трактов. Обычно площадь сечений диафрагмы принимается в 3—5 раз больше площади сопла ТГГ. Рекомендуется, чтобы скорость течения газа не превышала 100—150 м/с. Гибридный ТГГ. Работа гибридного ТГГ основана на введении во внутренний объем камеры ТГГ жидкого или газообразного окислителя, в результате взаимодействия которого с твердым горючим, находящимся в камере, генерируется газ. Преимущество гибридного ТГГ—возможность регулирования его газопроизводительности и параметров газа. В качестве примера можно указать на гибридный ТТТ, у которого в качестве твердого горючего использована смесь «литий + полибутадиен»; в качестве жидкого окислителя - смесь фтора с кислородом. Этот ТГГ устойчиво работает в широком диапазоне изменения соотношения компонентов топлива (стехиометрическое соотношение 2,8) и обеспечивает генерацию газа как с избытком, так и с недостатком окислителя. В системах с ТГГ иногда устанавливают фильтры и устройства для охлаждения и регулирования расхода газа. Фильтры используют для устранения твердых продуктов, образующихся при горении многих типов твердых топлив. Применяют фильтры динамического (сепарационного), сетчатого, а иногда комбинированных типов. В последнем случае грубая очистка осуществляется в сепараторе, мелкая - сетками. Расход газа можно регулировать путем установки клапанов сброса или регуляторов, изменяющих сечение сопла ТГГ, при этом потребное изменение площади сопла можно определить аналитическим путем. Последний способ регулирования может обеспечить наиболее полное и эффек-тивное использование всей массы заряда. Его конструктивное решение ослож-няется требованием создания малоинерционного регулятора, работающего в условиях термического и эрозионного воздействия продуктов сгорания твердотопливного заряда. Однокомпонентный ЖГГ. Работа однокомпонентного ЖГТ основана на использовании компонента топлива, обладающего экзотермической реакцией разложения (перекиси водорода, гидразина, изопропилнитрата, аммиака, несимметричного диметилгидразина и др.). Основными условиями, определяющими возможность использования компонента топлива в однокомпонентом ЖГГ, являются: способность к каталитическому или термическому разложению; устойчивость протекания процесса разложения; постоянство давления, температуры, химического состава и др.). Температура газа на выходе из ЖГТ не должна превышать допустимую для конструктивных элементов, находящихся под воздействием газового потока. Разложение компонента топлива может осуществляться каталитическим или термическим методом. Каталитическое разложение осуществляется подачей компонента топлива на активную поверхность твердого катализатора, размещенного во внутреннем объеме ЖГТ или вводом жидкого катализатора в камеру ЖГТ. Последний способ разложения в современных двигателях применяется лишь для некоторых специальных целей, так как он влечет за собой усложнение схемы и увеличение массы ЖРД В современных ЖРД среди однокомпонентных газогенераторов наибольшее распространение получили перекисеводородные, т. е. работающие на перекиси водорода Н2О2.- Обычно применяется ее водный раствор, содержащий не менее 80—85%- (по весу) перекиси водорода; из растворов меньшей концентрации образуется газ с низкой температурой (и работоспособностью). В качестве катализаторов используются перманганаты щелочных металлов (NaMn04, КМ1Ю4) или сетки из серебряной проволоки. Тепло, выделяющееся при разложении раствора перекиси водорода, затрачивается на испарение балластной воды и подогрев смеси паров воды и молекулярного кислорода, именуемой парогазом. Кроме перекиси водорода однокомпонентными средствами газогенерации могут служить несимметричный диметилгидразин (НДМГ), гидразин, изопропилнитрат, окись этилена и другие вещества. НДМГ и гидразин используются в качестве компонентов основного топлива ЖРД, поэтому, применяя их как средства газогенерации, можно упростить конструкцию двигателя, повысить его надежность и облегчить эксплуатацию ракеты. НДМГ является эндотермическим соединением и при температуре, превышающей 350° С, способен быстро разлагаться, выделяя тепло, достаточное для нагрева продуктов разложения выше температуры начала интенсивного разложения (т. е. выше 350° С). Поэтому процесс разложения НДМГ, будучи возбужден, в дальнейшем может самоподдерживаться без дополнительного подвода тепла извне. Использование гидразина в качестве однокомпонентного средства газогенерации также основывается на его способности к термическому разложению, причем распад гидразина сопровождается выделением такого количества тепла, которого вполне достаточно для того, чтобы поддержать процесс на нужном температурном уровне. Важное преимущество гидразина по сравнению с другими однокомпонентными средствами газогенерации—отсутствие твердой фазы в продуктах разложения. При термическом методе реакция протекает под действием тепла, получающегося за счет разложения ранее поступивших порций компонента топлива или подводимого от внешнего источника. Для запуска пусковой расход компонента топлива должен быть прогрет от постороннего источника тепла до температуры саморазложения (электросвеча, химический источник тепла и т. д.). Возможен изотопный подогрев, при котором во внутреннем объеме камеры ЖГГ размещают капсулы с радиоизотопом. При расчете однокомпонентного ЖГТ задаются физико-химическими параметрами газа, потребным количеством катализатора, эффективным объемом и площадью смесительной головки ЖГТ. Параметры газа определяются на основании термодинамического расчета реакции разложения заданного компонента топлива. Под эффективным объемом понимают внутренний объем ЖГГ (от головки до выходного сечения) за вычетом объема, занимаемого катализатором или тепловым аккумулятором. Потребное количество катализатора определяется условиями протекания реакции разложения и количеством разлагаемого компонента топлива. Количество катализатора рассчитывают из условия обеспечения разложения секундного расхода компонента топлива , Эффективный объем газогенератора определяется временем пребывания компонента в камере. Время пребывания в свою очередь определяется условиями протекания реакции разложения и находится экспериментально. Двухкомпонентный ЖГГ. Работа двухкомпонентного ЖГГ основана на химической реакции между жидкими окислителем и горючим, подаваемыми во внутренний объем ЖГТ. Процесс горения топлива в двухкомпонентном ЖГГ протекает при таких значениях коэффициента избытка окислителя, при которых обеспечивается заданная температура газа на выходе из ЖГТ. Соответственно процесс в ЖГТ может проходить при избытке (восстановительные продукты ГГ) или недостатке (окислительные продукты ГГ) горючего. Выбор восстановительных или окислительных продуктов ГГ определяется конкретными задачами, решаемыми при проектировании ЖРД. При этом нужно учитывать, что величина RT восстановительных продуктов ГТ, полученных из углеводородных топлив, при прочих равных условных выше RT окислительных. Применение окислительных продуктов ГТ обусловливает повышенные требования к коррозионной стойкости конструктивных элементов; при генерации восстановительного газа возможно наличие твердой фазы, вызывающей повышенный эрозионный износ конструктивных элементов, загромождение проходных сечений газовых трактов и т. п. В результате отложения твердых продуктов неполного сгорания во внутреннем объеме ЖГГ может изменяться расчетное время пребывания газа в камере ЖГТ, условия смесеобразования и, как следствие этого, химический состав генерируемого газа.  Рис.85 Схемы двухкомпонентных ЖГГ Огаосительно простым типом двухкомпонентного ЖГГ является одно-зонный, рис.85 а, в котором подвод компонентов топлива осуществляется только через смесительную головку 1. К недостаткам такого ЖГГ можно отнести сложность обеспечения устойчивого процесса горения, протекающего в условиях относительно низких температур. Указанного недостатка лишен многозонный газогенератор, рис.85 б. В этом газогенераторе имеются: смесительная головка 1, обеспечивающая подачу топлива для генерации высокотемпературного газа, пояс (пояса) разбавления 2, обеспечивающий подачу и смешение с высокотемпературным газом компонента топлива, находящегося в избытке. Конструкция, условия работы и методы расчета смесительной головки аналогичны головке камеры сгорания ЖРД. Соответственно внутренний объем таких ЖГГ делится на две зоны: горения и разбавления. Рассматриваемый тип газогенератора позволяет: иметь в газогенераторе стабильный высокотемпературный очаг пламени (зону горения); организовывать наиболее эффективные образом ввод избыточного компонента топлива, обеспечивая тем самым минимальный объем зоны разбавления и равномерное поле температур по сечению газогенератора; подбирать объем зоны разбавления, обеспечивающий оптимальные параметры газа на выходе из газогенератора. При проектировании двухкомпонентного ЖГГ рассчитывают объем ЖГГ, площади смесительной головки и пояса разбавления, смесеобразование и охлаждение. В общем виде процесс газогенерации можно рассматривать как одновременное протекание взаимосвязанных процессов—горения и испарения топливных компонентов, идущих одновременно с разложением избыточного компонента топлива. Полнота реакций, протекающих при этих процессах, во многом зависит от организации рабочего процесса в ЖГГ и от времени пребывания в нем топлива. В ряде случаев время пребывания топлива в ЖГГ оказывает определяющее влияние на химическое равновесие протекающей реакции, следовательно, на температуру и химический состав генерируемого газа. Например, для ЖГГ, вырабатывающего восстановительный газ, время пребывания, с одной стороны, должно быть достаточным для того, чтобы был завершен процесс частичного сгорания, испарения и разложения избыточного горючего, а с другой—при слишком большом времени пребывания и установлении химически равновесного процесса, из избыточного горючего могут образоваться побочные продукты с большой молекулярной массой (кокс, тяжелые смолы), что помимо снижения газовой постоянной может привести к загромождению газового тракта. Чтобы этого избежать, в ЖГГ, генерирующих восстановительный газ, иногда заведомо стремятся создать химически неравновесный рабочий процесс путем задания меньшего времени пребывания. Для каждого топлива при задан -ной температуре газа и конструктивном типе ЖГГ время пребывания подбирается экспериментально из условий получения наибольшего значения газовой постоянной и обеспечения стабильного протекания рабочего процесса. При температуре газа порядка (1000—1200) К время пребывания топлива в однозонном ЖГГ - (0,004— 0,008) с. Время пребывания топлива в зоне горения (0,002— 0,004) с. Время пребывания в зоне разбавления определяется временем испарения избыточного компонента. В первом приближении при диаметре капель <60 микрон и температуре газа на выходе из газогенератора не меньше 1100 К можно принять время пребывания топлива в зоне разбавления (0,001-0,003) с. Как уже отмечалось, в современных ЖРД применяются только такие двухкомпонентные газогенераторы, которые в качестве средств газогенерации используют компоненты основного топлива двигателя при соотношении между ними, далеком от стехиометрического. На рис.86 изображены графики зависимости температуры Т, газовой постоянной R и работоспособности (RT) продуктов сгорания топлива «керосин + HN03» от коэффициента избытка окислителя а типичные и для других топ-лив. Видно, что одна и та же температура То (порядка 1000—1300° К), приемлемая для рабочих органов турбины, может быть достигнута как при большом избытке горючего, так и при большом избытке окислителя. Образовавшийся из топлива с большим избытком горючего восстановительный генераторный газ при одной и той же температуре имеет существенно большее значение газовой постоянной R, чем окислительный, вследствие значительного количества составляющих с малым молекулярным весом (СО, Н и т. п.). Этот газ оказывает также слабое воздействие на большинство конструкционных  материалов, что дает возможность повысить предельно допустимое значение температуры до 1300° К. Рис.86 Графики зависимости Т, R и RT от а По этим причинам работоспособность восстановительного газа существенно выше, чем у окислительного. Кроме того, параметры восстановительного газа (R, Т) менее чувствительны к изменению а. Это значит, что выходные параметры восстановительного газогенератора являются стабильными даже при не очень точном регулировании соотношения между компонентами топлива. Большой недостаток восстановительного газа состоит в том, что в нем обычно имеются сажа и смолообразные продукты, способные засорить проточную часть турбины и форсунки камеры (в схемах ЖРД с дожиганием генераторного газа). Окислительный газ способен оказывать сильное окисляющее воздействие на металлы, что заставляет снижать предельно допустимое значение Г до 800—1000° К. Вследствие пониженной работоспособности окислительный газ характеризуется отсутствием в его составе смол и сажи, а также тем, что не воспламеняется на воздухе. Окислительный газ более целесообразен там, где этот недостаток может быть без большого ущерба для экономичности двигателя компенсирован увеличением его расхода, например в ЖРД с дожиганием генераторного газа. В этом случае использование окислительного газа увеличивает к тому же располагаемую мощность турбины, так как при прочих равных условиях расход окислителя всегда больше расхода горючего. Увеличивая же располагаемую мощность турбины, можно повысить давление в камере двигателя и тем самым увеличить его удельную тягу. Восстановительный генераторный газ из-за его большой работоспособности чаще применяют в ЖРД с выбросом генераторного газа в атмосферу, где потери энергии топлива на привод ТНА имеют существенное значение и поэтому расход рабочего тела турбины целесообразно уменьшать. Вследствие большого избытка одного из компонентов топлива в двух-юмпонентном газогенераторе при любой схеме смесеобразования невозможно обеспечить равномерное температурное поле. Это положение, очевидное в случае применения однокомпонентных форсунок, является справедливым также и при использовании двухкомпонент-кых форсунок, поскольку при их изготовлении всегда существует разброс размеров, соосности, чистоты обработки каналов и других факторов, влияющих на равномерность распределения жидкости в конусах распыла. Благодаря этому в газогенераторе образуются зоны с самым различным соотношением компонентов, . В зонах с благоприятным (близким к стехиометрическому) соотношением компонентов горение протекает быстро и на высокотемпературном уровне. В зонах с неблагоприятным соотношением компонентов горение топлива происходит вяло или вообще не имеет места. Из этих зон смесь диффундирует в соседние зоны (зоны горения) и там перемешивается с продуктами реакции, вступая с ними в химическое взаимодействие, термически разлагается или просто подогревается и испаряется. В результате диффузионных процессов параметры газа постепенно выравниваются. Испарительный ЖГГ. Принцип работы испарительного ЖГГ основан на газификации жидкости (в специальном теплообменном устройстве) путем подвода к ней тепла. В качестве такой жидкости может быть использован либо один из компонентов топлива, либо вещество, специально для этого предназначенное, запасы которого находятся на борту ЛА в отдельных емкостях. Широкое применение в качестве испарительного ЖГГ систем наддува для криогенных топлив получил трубчатый змеевик, расположенный в выхлопном коллекторе турбины. |