Д т. н., доц. А. В. Косых 15 декабря 2012 г


ГЛАВА 5 ВЫБОР ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ



страница4/7
Дата06.06.2016
Размер1.34 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7
ГЛАВА 5 ВЫБОР ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ГАЗИФИКАЦИИ

5.1 Основные задачи и схема системы газификации. Проектно-конструктивные параметры

Система газификации жидких остатков КРТ является составной частью АБСС, основанной на использовании энергетического ресурса, заключенного в невырабатываемых жидких остатках КРТ в баках, для совершения дополнительных маневров, с применением ГРД или сопел сброса.

Возможная принципиальная схема АБСС приведена на рисунке 5.1.

описание: c:\users\home\desktop\безымянный.jpg

Рисунок 5.1 – Принципиальная схема системы снижения воздействия ОЧ ступеней РКН:

1 – емкость с окислителем; 2 – емкость с горючим; 2 – ЖГГ; 4 – баллон с газом наддува; 5 – ГРД или сопла сброса; 6 – приводы качания камер ГРД; 7 – смесительный коллектор
Принцип работы АБСС основан на организации процесса газификации остатков КРТ в баках ОЧ ступеней РКН и выброса через сопла сброса или ГРД продуктов газификации в ОКП, в том числе и в атмосферу до высот 50 км, при этом предполагается, что под воздействием факторов космического пространства произойдёт их разложение до нетоксичных составляющих и допустимых концентраций [40]

На этом направлении решения задачи снижения техногенного воздействия, в соответствии с рекомендациями [41], орбитальные ОЧ ступеней РКН и РБ остаются на орбитах, однако при этом отсутствует вероятность их взрыва, а площади районов падения сохраняются, при этом проливы КРТ на грунты практически отсутствуют. Это направление решения задач в настоящее время частично (без газификации остатков топлива) используется при эксплуатации РКН на токсичных компонентах топлива «Протон-М» [42]

Общая схема процесса газификации жидких остатков КРТ в баках отделяющихся частей ступеней РКН и РБ поясняется последовательность действия (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Схема процесса газификации: 1 – система получения теплоносителя; 2 - топливные баки РКН; 3 – система управления работой системы газификации


Ключевым элементом в АБСС, требующим дополнительного исследования является система газификации, которая должна обеспечивать решение следующих задач:

1.Получение горячего газа (теплоносителя) с определенными параметрами:

- температура;

- массовый-секундный расход;

- химический состав;

- частота и звуковое давление, генерируемые акустическим излучателем.

2. Подача в баки

Продукты газификации получаемые на выходе из топливного бака включают в свой состав:

- теплоноситель;

- газ наддува;

- испарившийся КРТ.

Решение 1 задачи

Основная часть получаемых газифицированных продуктов приходится на ТН, вырабатываемый газогенератором, поэтому химический состав ТН должен обеспечивать максимальный удельный импульс.

Существующие газогенераторы работающие на жидких и твердых КРТ [19,43,44] предназначены для решения различных задач, таких как:

- раскрутка лопаток турбонасосного агрегата ЖРД, где необходима максимальная кинетическая энергия генераторного газа и максимально пониженная температура газа, например, газ для раскрутки ТНА, получаемый в ЖРД с циклом фазового перехода. Газ для раскрутки ТНА получают пропуская жидкий водород через контур охлаждения камеры ЖРД [44]

(5.1)

- наддув баков ОЧ ступеней РКН, где необходима максимальная потенциальная энергия генераторного газа, при этом работа тратиться на изменение внутренней энергии газа



, (5.2)

при этом потребность в тепловой энергии и химическом составе газов отсутствует.

В задачах газификации жидких остатков КРТ необходимы большие запасы тепловой энергии, заключенной в потоке ТН, что определяет требования к повышению теплоёмкости генерирующего газа и химического состава газа.

(5.3)
На рисунках 5.3, 5.4 приведены пневмогидравлические схемы системы газификации жидких остатков КРТ с использованием однокомпонентного и двухкомпонентного ГГ.

Рисунок 5.3 – Элементарная схема системы получения теплоносителя для газификации остатков КРТ: 1 – шар-баллон с газом высокого давления; 2 – клапан; 3 – редуктор давления; 4 – шар - баллон с горючим для ГГ; 5 – шар-баллон с окислителем для ГГ; 6 – дроссели; 7 – мембраны; 8– двухкомпонентный газогенератор; 9 – газоструйный излучатель


Газ высокого давления, заключенный в баллоне 1, поступает через клапан 2 в газовый редуктор 3, где его давление снижается до необходимого значения. Далее газ поступает в выжимные ёмкости 4,5, откуда топливо вытесняется и по трубопроводам поступает через дроссели 6 в камеру газогенератора 8, разрывая установленную на трубопроводе мембрану 7. Поступившее в газогенератор топливо воспламеняется и полученный теплоноситель поступает через газоструйный излучатель 9 в бак с остатками КРТ.

Принципиальная схема системы получения теплоносителя для газификации остатков КРТ, представленная на рисунке 5.3, схожа с системой газификации остатков КРТ, представленной на рисунок 5.4. Отличие лишь в используемом газогенераторе и параметрах получаемого теплоносителя (массовый секундный расход и химический состав).



описание: описание: схема газификации2

Рисунок 5.4 – Элементарная схема системы получения теплоносителя для газификации остатков КРТ: 1 – шар-баллон с газом высокого давления; 2 – клапан; 3 – редуктор давления; 4 – шар-баллоны с топливом для ГГ (выжимные ёмкости);5 – дроссель; 6 – мембрана; 7– однокомпонентный газогенератор; 8 – газоструйный излучатель


В схемах приведенных на рисунках 5.3, 5.4 количество шар - баллонов для размещения газа высокого давления – 1 шт. для обеих вариантов, а количество шар-баллонов под топливо для ГГ будет определяться величиной невыработанных остатков КРТ в баках.
5.2 Состав системы газификации и основные конструктивные параметры. Критерии выбора конструктивных параметров

В состав СГ входят следующие элементы (рисунок 5.5):

- систему получения теплоносителя на основе газогенераторов (ЖГГ, ТГГ),

- запасы сжатого газа в шар-баллонах,

- топливо для ЖГГ в шар-баллонах с выжимной системой или ТГГ,

- систему ввода ТН,

- систему регулирования и подачи топлива в ГГ.

Рисунке 5.5 - Обощённый состав системы газификации


1. Ёмкости с окислителем и горючим

Предназначены для хранения и последующей мембранной подачей КРТ в ГГ с целью получения ТН для газификации жидких остатков КРТ, например АТ, НДМГ, керосина, H2 и О2.

Использование определённого типа топлива для работы ГГ определяется схемным решением по организации функционирования системы газификации жидких остатков КРТ и возможностями наземной инфраструктуры стартовых комплексов и самого РКН.

В таблице 5.1 приведены возможные топливные пары для работы ГГ.


Таблица 5.1 – Топливные пары для ГГ

Газифицируемые остатки КРТ

Используемый

ГГ


Топлива

для ГГ


АТ

+

НДМГ



ЖГГ

АТ*+НДМГ

ЖГГ

АТ+НДМГ*

Керосин

+

О2



ЖГГ

Керосин+О2

ЖГГ

H2O2

H2

+

O2



ПГГ

Пороховой заряд

ЖГГ, ПГГ

H2O2

Для работы ЖГГ рекомендуется использовать штатные КРТ, например, на основе АТ и НДМГ, керосина и О2.

По причине самовоспламенения топливной пары АТ+НДМГ, подача продуктов сгорания проходит с избытком того компонента, который газифицируется (в таблице 5.1 КРТ подаваемый с избытком имеет символ *).

2. Ёмкости со сжатым газом

Предназначены для хранения сжатого газа, используемого в качестве рабочего тела системы наддува топливных ёмкостей ГГ.

3. ГГ для получения ТН

Одним из основных элементов СГ является ГГ, необходимый для получения ТН с определенными параметрами: температура, расход, химический состав.

Газобаллонная система с подогревом газа

Учитывая значительный период процесса газификации (τ=150÷1000 с.), большие массовые секундные расходы теплоносителя, подающегося в топливные баки ОЧ РКН () и требования по обеспечению высокой температуры теплоносителя (Т=900÷15000К), то применение данного типа затруднено из-за высоких габаритно-массовых характеристик и сложности по обеспечению заданных параметров теплоносителя в широком диапазоне регулирования.



Твердотопливные газогенераторы (ТГГ)

Являются наиболее компактным источником рабочего газа, у которых температура продуктов сгорания лежит в пределах 1370÷14700К.

В течение многих лет для этих целей использовались топлива двух типов - двухосновные с большим недостатком окислителя (жидкие нитроэфиры) и смесевые топлива на основе нитрата аммония. Жидкие нитроэфиры могут диффундировать к границам заряда, уменьшая его прочность.

Продукты сгорания этих топлив имеют чрезмерно высокую температуру или содержат в большом количестве твердые частицы углерода, что недопустимы для последующего использования продуктов газификации в ГРД (возможное засорение форсунок).

С другой стороны, составы на основе нитрата аммония имеют относительно низкую плотность, гигроскопичны и сравнительно плохо воспламеняются.

Особенностью порохов является отрицательный кислородный баланс продуктов сгорания, что обуславливает, возможность догорания в баке окислителя, ведущее к увеличению температуры.

Схема газификации остатков КРТ, основанная на использовании ТГГ представлена на рисунке 5.6.

описание: c:\users\home\desktop\безымянный.jpg

Рисунок 5.6 – Схема газификации остатков КРТ с использованием ТГГ


С другой стороны использование ТГГ позволяет формировать заранее заданный состав ТН, при этом достигается следующее:

- исключаются элементы жидкостного газогенератора (ёмкости для топлива с мембранами, сжатого газа, соответствующие магистрали и автоматика);

- упрощается эксплуатация РКН при подготовке к пуску (нет заправочных станций, этапа заправки);

- при приготовлении ТГГС для каждого КРТ имеется возможность включения в состав заданных элементов, например, в составе ТН для бака горючего, кроме обеспечения создания избытка горючего, возможно включение металлического алюминия или компонента, выбранного из группы гидрид содержащих соединений лёгких металлов для повышения энергетики.

Из соображений надежности и безопасности следует применять для жидкого окислителя ТГГС с избытком кислорода, чтобы в смеси не было горючих газов (водорода, CO), а для жидкого горючего - ТГГС с недостатком кислорода, чтобы в смеси не было газов-окислителей (кислород, оксиды азота). Это можно легко сделать, взяв на основу обычную композицию высоко импульсного смесевого твёрдого ракетного топлива, но скомпоновав ее так, чтобы одна часть содержала больше окислителя, а другая – больше горючего.

Кроме того, ТГГС должен быть устойчив к перегрузкам, вибрациям, иметь производственно-технологическую базу и т.д.

Количество ТГСС определяется из условия получения заданного количества теплоты для испарения остатков КРТ в баках путём подачи туда ТН (с учётом тепловых потерь на нагрев бака) с последующей реализацией получившейся смеси через ГРД или сопла сброса.

Использование имеющегося на ступени РКН газогенератора для раскрутки ТНА затруднено, ввиду того, что процесс газификации остатков КРТ проходит после выключения основной двигательной установки ступени.



Однокомпонентные жидкостные газогенераторы

1) ЖГГ на основе перекиси водорода



описание: c:\users\home\desktop\безымянный.jpg

Рисунок 5.7 - Изменение теоретической температуры Т и удельной работоспособности RT парогаза в зависимости от концентрации перекиси водорода при использовании твердого катализатора


Для разложения перекиси водорода применяют жидкие катализаторы (водные растворы перманганатов калия и натрия) и различные типы твердых катализаторов. В качестве твердого катализатора используются зерна какого-либо пористого вещества, в порах которого осаждено катализирующее вещество перманганат калия и др., или катализирующие сетки из серебряной проволоки. На рисунке 5.7 показано изменение теоретической температуры Т и удельной работоспособности RT парогаза в зависимости от концентрации перекиси водорода при использовании твердого катализатора.

Применение данного типа сопряжено со значительными запасами катализатора.

2) ЖГГ на основе гидразина и его производных.

Характер процесса каталитического разложения гидразина довольно сложен и зависит от геометрической формы и размеров камеры разложения, природы и характеристик катализатора, времени разложения и других факторов. В качестве катализатора разложения гидразина широко применяется катализатор, состоящий из таблетизированной окиси алюминия с большой площадью поверхности пропитанной иридием (33 % иридия и 67 % окиси алюминия), и размером частиц 0,8 – 1,2 мм. Также применяют катализаторы на основе железа, никеля и кобальта, осажденных на подложку из окиси алюминия. Для времени пребывания продуктов разложения в газогенераторе 0,005-0,01 с параметры рабочего тела характеризуются следующими значениями [29]:



3. ЖГГ на основе НДМГ

Для организации процесса разложения НДМГ применяют в основном следующие типы газогенераторов:


  • с подачей всего НДМГ через форсуночную головку;

  • с заполнением камеры ГГ каким-либо материалом, например, графитом, медью и т.д.;

  • с организацией противотока между жидким НДМГ, поступающим по трубкам с одной стороны, и горячими продуктами его разложения с другой стороны.

Для ГГ первого типа характерно термическое разложение НДМГ, а в двух других может иметь место термокаталитический процесс.

Для приближенных проектных расчетов ГГ рекомендуются следующие средние значения параметров [29]:



Применение данных типов на основе гидразина и НДМГ позволяет их рассматривать в качестве устройств для генерации газа при проведении процесса газификации.



Двухкомпонентные ЖГГ

Применение данных типов наиболее целесообразно ввиду широты регулирования параметров генераторного газа. В качестве компонентов топлива для работы этих ЖГГ можно использовать штатные КРТ, например, на основе азотной кислоты и НДМГ. Данная топливная пара имеет стабильные физико-химические показатели в широком температурном диапазоне эксплуатации, низкую стоимость, компактность в размещении.[28,45]

Выбор типа газогенератора зависит от вида остатка КРТ и параметров процесса газификации.

Эффективность процесса газификации остатков КРТ определяется работоспособностью генераторного газа, т.е. комплексом RT. На рисунке 5.8 представлен график, характеризующий изменение температуры горения продуктов ГГ при различных значениях коэффициента избытка окислителя. В качестве примера приведены топливные пары: АТ+НДМГ, АК+керосин, О2+керосин.

Как видно из графика (рисунок 5.8) наибольший комплекс RT наблюдается при коэффициенте избытка окислителя km≈0,7÷1,5.
описание: c:\users\home\desktop\безымянный.jpg

Рисунок 5.8 – График изменения температуры горения продуктов ГГ при различных коэффициентах избытка окислителя


Однако, область допустимых температурных параметров системы газификации не позволяет использовать нейтральный генераторный газ. Таким образом, наиболее целесообразно применять генераторный газ с избытком окислителя km≈0,1÷0,6 и km≈10÷14 соответственно для восстановительного и окислительного ГГ. Температурный диапазон ограничен параметром , согласно температурно-прочностным свойствам применяемых материалов для работы системы газификации.

Согласно теоретико-экспериментальных данных [29] в таблице 5.2, 5.3 приведен состав продуктов сгорания на основе топливной пары НДМГ+АТ.


Таблица 5.2 - Экспериментальные данные состава продуктов сгорания

km

R

T

Весовой состав, %

Дж/кгК

0К

СО2

СО

Н2О

СН4

С2H4

Н2

N2

NH3

HCN

C2H8N2

CH3NH3

Cтв

0

286

890

0

0,34

-

38,4

1,35

1,5

29,5

6,94

6,93

6,29

1,17

5,55

0,15

283

1030

0,47

9,65

2,89

28,4

1,3

2,23

37,5

10

-

-

2,66

4,77

0,21

282

1120

1,08

15,3

3,67

24,4

1

3

33,7

8,95

-

2,21

2,9

3,85

Как следует из приведенных данных, весовое содержание СО2 и Н2О для ЖГГ с избытком окислителя km≈0,1÷0,6 составляет менее 10%, для ЖГГ с избытком окислителя km≈10÷14 составляет 15÷18%, что необходимо для расчета лучистой составляющей при теплообмене.

Таблица 5.3 - Результаты термодинамического расчета состава продуктов сгорания

km

R

T

Состав продуктов сгорания в парциальных давлениях

Дж/кгК

0К

СО2

N2

H2O

O2

NO2

NO

10

270,4

1683

5,86

11,49

11,72

12,74

6,49

14,69

12

266,7

1354

5,15

10,09

10,30

12,12

10,58

14,76

14

250,8

1146

4,63

9,08

9,26

11,17

15,0

13,83

Проведенный анализ существующих ГГ показал возможность их использования в задачах газификации жидких остатков КРТ в баках ОЧ ступеней РКН, однако это будет не оптимально, т.к. теплоёмкость и химический состав получаемого генераторного газа не соответствует требованиям, предъявляемым к нему. Поэтому необходимо создание топлива для ГГ, вырабатывающего ТН, энергии которого будет хватать для газификации всех остатков КРТ, а получаемый на выходе из бака газ возможно будет использовать в качестве самостоятельного ракетного топлива для ГРД, при этом состав топлива для ГГ должен обеспечивать заданную скорость и закон горения генераторного газа в ГРД.

4. Устройство ввода ТН в баки горючего и окислителя

Система ввода ТН в баки горючего и окислителя оказывает существенное влияние на формирование скоростных полей, следовательно, и на интенсивность теплообмена газа с граничными поверхностями (стенками бака и поверхностью раздела).

Для интенсификации процесса теплообмена предлагается использовать дополнительное УЗ-воздействие, с применением штуцера ввода ТН в топливные баки ОЧ ракет, снабженные газоструйным излучателем. Наиболее предпочтительным вариантом газоструйного излучателя является генератор Гартмана, работающего на сверхкритическом перепаде давления и сокращающий время газификации остатков КРТ на 15% [46-48]

5. Система регулирования подачи компонентов топлива в ГГ

На рисунке 5.9 представлена пневмоэлектрическая схема системы регулирования подачи компонентов топлива в ГГ с использованием УЗ генератора.

Рисунок 5.9 - Пневмоэлектрическая схема системы регулирования подачи компонентов топлива в ГГ с использованием УЗ генератора: Р – редуктор, ЭПК – электропневмоклапан, ПМ – пиромембрана, УЗ – ультразвуковой генератор


По команде разделения ступеней, программно - временное устройство обеспечивает включение (отключение) электропневмоклапана, после чего, сжатый газ, через редуктор, поступает в выжимные ёмкости. Топливо, после срабатывания пиромембран поступает в ГГ, в результате чего, полученный на выходе ТН подается по магистралям, через ультразвуковой генератор, в топливные баки ОЧ РКН.

Регулирование подачи компонентов топлива в ГГ осуществляется по средством редуктора, срабатывающего по команде программно - временного устройства.



Каталог: scientific activities
scientific activities -> Ведущая организация нгту
scientific activities -> Прилуцкий И. К. д т. н., проф кафедры Криогенная техника
scientific activities -> Исследование силы трения в бесштоковом пневматическом приводе.// Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2013. Т. 17. № С. 246-252
scientific activities -> Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей
scientific activities -> Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей
scientific activities -> Проблемы сокращений терминологических единиц в подъязыке информатики английского языка
scientific activities -> Программа вступительного экзамена направление подготовки: 01. 06. 01 Математика и механика Направленность
scientific activities -> Научного издания «Гуманитарные ведомости тгпу им. Л. Н. Толстого»
scientific activities -> Повышение качества и производительности абразивной обработки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе за счет определения рациональных технологических параметров сверхскоростного шлифования
scientific activities -> Состав совета по защите докторских и кандидатских


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница