В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные



страница12/14
Дата06.06.2016
Размер2.06 Mb.
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14

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.



Аккумулятор сжатого газа. АСГ, являясь источником газа, может рассматриваться как ГГ, отличающийся той особенностью, что газ в нем не вырабатывается во время работы ЖРД, а запасен заранее и расходуется по мере необходимости. В настоящем разделе рассмотрена методика расчета указанных ГГ. В качестве исходных данных для расчета ГГ должны быть заданы вещест­ва, служащие для получения газа; давление в топливных баках; температура газа на выходе из ГГ; секундный расход газа и допуски на его изменение; время работы и требования, предъявляемые к физико-химическим свойствам газа: кислородный баланс, наличие твердой или жидкой фазы степень равновесности химического состава газа на выходе ГГ и т. д.

9. Системы управления ЖРД

9.1. Система запуска ЖРД

Запуск двигательной установки является наиболее ответственным ди­намическим режимом её работы, во время которого параметры рабочего про-

десca изеняются в широких пределах от нуля до номинальных значений; ем это изменение происходит очень быстро, вследствие чего трудно, а иногда невозможно воздействовать на процесс запуска. Во время запуска на конструкцию двигательной установки и ракеты воздействуют различные дина­мические нагрузки, к которым относятся тепловой удар, давление и ускорение. Этим можно объяснить тот факт, что наибольшее количество отказов и аварий двигательной установки появляется во время запуска.

Весь процесс запуска условно можно разделить на два периода:


Для безаварийного запуска необходимо обеспечить надежное воспла­менение топлива, а также такое изменение параметров (в основном-давления в камере сгорания и газогенераторе) во времени, которое не приводило бы к большим перегрузкам, действующим на конструкцию, и взрывам. Процесс за­пуска начинается с открытия топливных клапанов. Компоненты топлива под действием сил давления насосов или гидростатических сил подаются в камеру двигателя с большими скоростями и в значительных количествах. Если не от­работано воспламенение, то может произойти выброс компонентов топлива из камеры без воспламенения или, наоборот, воспламенение со взрывом. По этому в камере двигателя должен создаваться мощный источник тепла, способный зажечь движущееся топливо.

Температура воспламенения паров топлива, применяемого в ЖРД обычно не менее 300 °С. Такая температура может достигаться различными методами. В том случае, когда применяются самовоспламеняющиеся компо­ненты топлива, не требуется дополнительных источников тепла.

Самовоспламеняющиеся компоненты топлива при обычных темпера­турах реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, в результате чего обеспечивается разогрев и воспламенение. Такой вид воспламенения на­зывается химическим.

Несамовоспламеняющиеся компоненты топлива требуют для испа­рения и воспламенения подвода тепла от внешнего источника. Воспламене­ние топлива с внешним подводом тепла называется термическим.

Термическое воспламенение характеризуется минимальной температу­рой, при которой развивается процесс воспламенения, и периодом задержки.

Период задержки воспламенения определяется временем от момента впрыска топлива в зону горения до момента появления пламени.

Для надежности запуска ЖРД в первую очередь должно быть га­рантировано воспламенение топлива при минимально возможном времени вы­хода на режим. Сокращение времени выхода на режим позволяет уменьшить необходимый запас топлива, а, следовательно, уменьшить стартовый вес, что особенно важно для космических и баллистических ракет.

В некоторых случаях, кроме того, должна быть обеспечена возмож­ность многократного запуска, запуска двигателя в высотных условиях или в условиях космического полета. Специфические требования к организации за­пуска возникают при запуске камер двигателей больших тяг.

В зависимости от характера выхода на режим принято различать плав­ный, ступенчатый и пушечный запуски.

Важными характеристиками запуска являются скорость нарастания давления в камере при запуске (dP/dt) и величина заброса (или пика) давления, т. е. величина отношения наибольшего давления в камере при запуске к номи­нальному.

Величины скорости нарастания давления и заброса давления ха­рактеризуют жесткость запуска. Чем больше эти величины, тем более жестким является запуск. На рис.87. приведены типичные графики изменения давления в камере сгорания при запуске. Запуск, протекающий в соответствии с кривой 3, очевидно, является наиболее жестким.

При больших значения dP/dr и большом забросе давления появляется опасность разрушения и даже взрыва камеры, как вследствие потери ее проч­ности, так и в результате возникновения детонационного горения топлива.

Основное влияние на жесткость запуска оказывает время задержки воспламенения топлива t3. Очевидно, чем больше значение т3, тем больше ус­пеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс даатения.



Рис87

Изменение давления в камере при запуске:



1 - плавный запуск; 2 - ступенчатый запуск; 3 - жесткий запуск;

t, - время задержки воспламенения

При плавном запуске воспламенение происходит при небольшом рас­ходе топлива и с последующим сравнительно плавным нарастанием расхода топлива. Плавный запуск характерен для ЖРД малых и средних тяг с турбона-сосной системой подачи. При этом плавность нарастания расхода топлива обеспечивается за счет инерции ТНА. Продолжительность запуска определяет­ся в основном временем выхода ТНА на номинальный режим («раскруткой ТНА»).

Ступенчатый запуск характерен введением промежуточной (или пред­варительной) ступени работы ЖРД и иногда целесообразен при запуске двига­телей больших тяг. Необходимость введения промежуточной ступени обуслов-

лена тем, что с ростом тяги, а, следовательно, и мощности ТНА время, расхо­дуемое на раскрутку ТНА (инерционность ТНА) уменьшается. В результате влияние инерционности ТНА на скорость нарастания давления становится ни­чтожным, так что запуск приходится смягчать введением промежуточного ре­жима.

При запуске ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся ком­понентах, введение предварительной ступени обеспечивает прогрев камеры и образование надежного факела.

Пушечным называют запуск, при котором сразу подается полный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом получился бы очень большой заброс давления в камере, поэтому в системе подачи или в головке двигателя всегда устанавливаются устройства, смягчающие запуск. Запуски, близкие к пушечному, возможны при исполь­зовании вытеснительных систем подачи.

9.2. Влияние условий запуска двигателя

Начальная температура топлива. Изменение начальной температуры приводит к изменению химической активности топлива, а также к изменению физических свойств, влияющих на перемешивание топлива при впрыске (вяз­кость, поверхностное натяжение). С уменьшением начальной температуры t3 увеличивается. Так, например, для топлива, состоящего из азотной кислоты и смеси фурфурилового спирта с анилином, при понижении температуры с -10 до -30 °С время задержки воспламенения увеличивается с 0,015 до 0,040 сек, т. е. более чем в два раза.

Начальное давление в камере сгорания. Вопрос о влиянии начального давления в камере на воспламенение очень важен при организации запуска двигателя в высотных условиях. Понижение давления приводит к увеличению t3 и, как следствие, к увеличению заброса давления при запуске. Некоторые самовоспламеняющиеся топлива при большом уменьшении давления могут вообще утратить способность к самовоспламенению. Такие условия могут, в частности, возникнуть при запуске двигателя в космосе, где давление окру­жающей среды равно нулю. Однако, в таких случаях топливо, поступающее в камеру с давлением близким к нулю, оказывается в перегретом состоянии. Про­исходит очень быстрая возгонка топлива и за счет образовавшихся паров дав­ление в камере сгорания повышается.

Состав топлива. На величину t3 влияет как изменение соотношения компонентов топлива, так и наличие различных, иногда неизбежных (напри­мер, вода), а иногда специально вводимых разбавителей или добавок.

Наименьшее значение t3 ряда топлив не соответствует стехиометриче-скому соотношению.










Рис.88

Влияние состава топлива (а) и опережения впрыска на(б)

Так, например, для топлива «азотная кислота + 50% ксилидина и 50% фурфурилового спирта» изменение t3 при изменении коэффициента избытка окислителяпроисходит, как показано на рис. а и минимальное значение соответствует =1,1.

Аналогичные графики можно получить и для других топлив. В каждом случае наименьшему значениюбудет соответствовать свое а.

Различные добавки в топливе могут увеличивать или уменьшать Так, например, увеличение содержания воды в азотной кислоте приводит к росту t3.

Опережение подачи одного из компонентов. В ЖРД трудно обеспе­чить одновременную подачу окислителя и горючего, запаздывание же одного из них может привести к увеличению, а иногда к уменьшениюТак, из гра­фика измененияв зависимости от опережения подачи t для топлива «азотная кислота + фурфуриловый спирт», рис.88 б, видно, что для данного топлива опережение подачи окислителя уменьшаетт. е. улучшает запуск. Величина рационального опережения подачи того или иного компонента зависит от со­става топлива, а также от конструкции головки, так что для каждого топлива и конструкции головки имеется свой наиболее целесообразный порядок подачи компонентов.

Иногда при выборе опережения подачи горючего или окислителя учи­тывают также, что при догорании несгоревшей в камере части горючего за со­плом двигателя образуется мощный факел.







Прочие влияния. На t3 и запуск двигателя, кроме указанных основных факторов, оказывают влияние также физические свойства топлива, перепад давления на форсунках dРФ (увеличение dРФ обычно уменьшает), форма и объем камеры, количество подаваемого компонента (увеличение количества подаваемого топлива часто приводит к уменьшению), многократность запус­ка и т. д.

149

9.3. Способы воспламенения горючих смесей

В классификации задач, возлагаемых на системы управления ДУ, зада­ча воспламенения горючих смесей отнесена к обеспечению нестационарного процесса запуска двигателя и решается с помощью автономных систем воспла­менения топлив в камерах и газогенераторах ЖРД.

Под системой воспламенения топлив предусматривается полный цикл мероприятий по организации не только начального этапа воспламенения ком­понентов топлива, но также и весь цикл обеспечения этого процесса без ано­мальных явлений (срывов горения, незапусков, пульсации, забросов давлений и других возможных видов отказов на этапе запуска).

Естественно, что принудительного воспламенения требуют несамовос­пламеняющиеся топлива. Ими являются углеводородные горючие, работающие с кислородом или с азотнокислотными окислителями, а также кислородно-водородное топливо.

Существует несколько способов воспламенения горючих смесей.

Химический способ предусматривает на начальном этапе запуска ис­пользование самовоспламеняющихся компонентов топлива, которые запасают в трубопроводах или специальных емкостях перед камерами двигателя и отде­ляют их от основного топлива мембранами свободного прорыва. Запас пуско­вых порций самовоспламеняющегося топлива должен обеспечивать работу ка­меры на пусковом топливе, примерно равном 80 % времени запуска. Целесооб­разность применения этого способа ограничивается ДУ однократного включе­ния.

Добавка триэтилбора или триэтилалюминия («2 — 3 %) к керосину обеспечивает надежное одно- и многократное его воспламенение с кислородом. Однако высокая токсичность этих добавок сдерживает их широкое практиче­ское применение, так как токсичным становится не только горючее, но и про­дукты сгорания, содержащие эти добавки.



Пиротехнический способ воспламенения горючих смесей предусматри­вает установку на стартовых позициях внутрь камеры двигателя системы пирс-зарядов, одновременное срабатывание которых обеспечивает надежное вос­пламенение пусковой части топлива, рис.89. Число пирозарядов зависит от размеров камеры двигателя. Для одновременного воспламенения многокамер­ных двигателей в каждой камере должно быть размещено не менее шести заря­дов, ориентированных друг относительно друга так, чтобы первый воспламе­нившийся заряд поджигал соседний с ним. Для обеспечения надежного вос­пламенения горючих смесей необходима определенная мощность тепловыде­ления в короткий промежуток времени, которая способна не только иницииро­вать горение топлив, но и уменьшить начальную задержку его воспламенения.

Систему пирозарядов можно применять для многократного включения газогенераторов и камер двигателя. При этом число установленных зарядов будет определять число включений. Однако если не применять специальных мероприятий по теплоизоляции этих зарядов, то в процессе работы двигателя





или после его останова вследствие чрезмерного нагрева зарядов возможно их самопроизвольное срабатывание.

Рис89

Система пирозарядов, обеспечивающая воспламенение топлива в камере двигателя на стартовых позициях

Предварительный нагрев элементов конструкции двигателей, исполь­зующих гидразин как монотопливо, примерно на 600 К способствует ак­тивному процессу саморазложения гидразина.

Термохимический способ воспламенения горючих смесей предусматри­вает организацию пускового факела с помощью специальной пусковой камеры (форкамеры), которая устанавливается на форсуночной головке двигателя, рис.90. Перед запуском основной камеры двигателя любым из способов вос­пламеняется пусковое топливо в форкамере. В частности, возможен вариант использования газов, отобранных из газогенератора питающего ТНА, для вос­пламенения пускового топлива. Возможно также применение в форкамере са­мовоспламеняющихся топлив или легковоспламеняющихся топлив («кислород + этиловый спирт»).

Для обеспечения надежного воспламенения топлива в камере требует­ся непрерывная работа запального факела для поддержания горения основных расходов топлива вплоть до установления номинального давления в основной камере двигателя. Для этого необходимо, чтобы давление подачи пускового топлива перед форсунками форкамеры всегда превышало давление в основной камере двигателя, а перепад давлений на сопле форкамеры всегда был сверх­критическим. Если основное топливо только пересекает пусковой факел или в него не попадает, то оно воспламеняется с большой задержкой, что сопровож­дается забросами и пульсациями давления и запуск становится ненадежным.

Для избежания аномальных явлений необходим такой пусковой факел, чтобы время пребывания в нем основного топлива было наибольшим, а его форма гарантировала попадание в пусковой факел всего основного топлива. Из всех возможных вариантов расположения форкамеры на основной камере для на­дежного воспламенения топлива должен быть принят вариант соосного распо­ложения форкамеры с основной камерой двигателя. При этом профиль расши­ряющейся части сопла форкамеры обеспечивает полный контакт пускового факела с основным топливом (хотя продукты сгорания не во всех случаях мо­гут следовать за профилем сопла).



Каталог: book
book -> Психология смысла природа, строение и динамика смысловой реальности
book -> А. А. Леонтьев Язык, речь, речевая деятельность просвещение 1969
book -> Издательство московского университета
book -> Основы парящего полета
book -> Авиакомпания эмирейтс
book -> Военная психология: методология, теория, практика Учебно-методическое пособие
book -> -
book -> Эргономичные алгоритмы На ошибках мы горим! Мне сказал Алеха. Непонятный алгоритм Это очень плохо
book -> Краткий обзор развития автожира 5 Глава Теория ротора 6


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14


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

    Главная страница