3258

проведенных расчетов, что даст возможность оценить влияние рабочего колеса на структуру потока в БлНА.

Литература

1.Мишин, А. Т. Безлопаточные направляющие аппараты в турбинах как средство обеспечения высокой надежности ТНА [Текст] / А. Т. Мишин // Научно-технический юбилейный сборник. КБ химавтоматики. – Воронеж : ИПФ «Воронеж», 2001. – С. 333 – 337.

2.Шерстюк, А. Н., Зарянкин, А. Е. Радиально-осевые турбины малой мощности [Текст] / А. Н. Шерстюк, А. Е. Зарянкин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1976. – 208 с.

3.ANSYSHelp : 14.0 Release [Электронный ресурс]. –

электрон.руководство пользователя к программе. – USA :SASIP, Inc., 2011.

УДК: 629.7.036

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЖРД ОТ ВИДА ТОПЛИВА

И.В. Винокуров, ВГТУ, аспирант, тел. 8 (910)041-60-46 И.Г. Дроздов, ВГТУ, д-р техн. наук, проф., тел. +7(473) 246-27-72

Большинство практически применяемых в настоящее время ракетных двигателей (РД) использует химическую энергию - химическое топливо. Источником энергии является реакция горения (экзотермическая, идущая с выделением тепла). Химическая энергия топлива преобразуется в камере сгорания в тепловую энергию продуктов реакции (продуктов сгорания (ПС)). Работа камеры ЖРД (жидкостные ракетные двигатели) зависит от комплекса обслуживающих систем. Рабочий процесс в камере ЖРД можно представить в следующем виде. Горючее и окислитель впрыскиваются под давлением в камеру через форсунки, дробятся на мелкие капли, перемешиваются, испаряются и воспламеняются. После воспламенения топливо горит. Сгорание топлива в камере

30

происходит при высоких давлениях, при горении образуются газообразные продукты сгорания (рабочее тело), нагретые до высоких температур (3000 4500 К), которые истекают из камеры сгорания в окружающее пространство через сопло. Чем больше масса и скорость газа на выходе из сопла, тем больше тяга, создаваемая камерой.

Если реакция двух веществ х и у, при которой образуется вещество z, протекает в одном направлении, то ее можно записать в виде х + у z. Это уравнение определяет динамику процесса, т. е. отсутствие равновесия. Если реакция закончится полностью, то наступило бы классическое равновесие одного вещества z. В случае прекращения реакции, покакой-либо из причин на одной из стадий, классическое равновесие состава обозначалось бы суммой, включающей три вещества: х + у + z.

В химически активных газах реакции диссоциации не прекращаются, а всегда протекают одновременно как в прямом, так и

вобратном направлениях с образованием конечных продуктов и одновременным распадом их на составные части, т. е. х + у z. Если

вкамере сгорания ЖРД только одна реакция диссоциации

п

об

где а, b, с, d— коэффициенты, определяющие число молей реагирующих веществ, то по закону действующих масс скорости прямой vnи обратной vo6 реакций выразятся формулами:

Здесь Сх, Су, Cz, Cw- концентрации веществ, выраженные в молях на единицу объема; kn, koб — коэффициенты скорости прямой и обратной реакций.

Под скоростью реакции понимается изменение концентрации

В связи с принятыми допущениями о химическом равновесии состав газов при достижении динамического равновесия не зависит от путей реакций, по которым устанавливается это равновесие. Поэтому для расчетов равновесного состава газов можно использовать

31

такие цепочки реакций и записывать уравнения диссоциации в такой форме, которые наиболее удобны для расчетов.

Рассмотрим пример определения состава (ПС) при сгорании молекулярного газообразного водорода Н2 в кислороде О2 при динамическом химическом равновесии.

В продуктах сгорания могут быть Н2О, ОН, Н2, О2, Н и О. Молекулы Н2О, ОН--, Н2 и О2 сложны и могут диссоциировать на более простые молекулы и атомы.

Для расчетов часто используют следующие цепочки реакций:

равновесия обе системы уравнений диссоциации равноправны. Поэтому в дальнейшем условимся использовать запись реакций диссоциации сложных молекул на атомы. Такая форма записи проще и удобнее.

В общем виде реакция диссоциации iсложной молекулы газа

где AaiВbiСci— диссоциирующая насыщенная i-я молекула; А, В, С

получающихся при диссоциации.

При написании этого уравнения предполагается, что ПС — гомогенная газовая смесь. При наличии конденсированных фаз эти уравнения записывают так же, но с указанием конденсированной фазы с соответствующим индексом хж, хТВ, который означает, что отмеченное вещество в рассчитываемых условиях (при заданной температуре) находится в жидком или твердом состоянии, например В2О3Ж - 2ВТВ – 3О = 0; СО2 + Ств - 2СО = 0.

Если какое-либо вещество при данной температуре может существовать в конденсированной фазе, то необходимо убедиться в том, будет ли оно действительно присутствовать в ПС в такой фазе при ощутимых концентрациях, которые необходимо учитывать в

32

расчете. Об этом можно судить по величине константы химического равновесия рассматриваемой реакции, в которую входит конденсированная фаза.

Применение некоторых топлив в двигательных установках ЖРД может привести к тому, что в ПС наряду с преобладающими газообразными веществами появляются жидкие или твердые компоненты, такие как В2О3Ж; А12О3ТВ и др., имеющие относительно высокие температуры плавления и кипения.

При некоторых условиях сжигания углеводородных топлив может появиться твердый углерод.

Рис. 1. Классификация источников газа

33

При расчетах состава химически реагирующих газовых смесей в ЖРД (рис. 1) используются различные способы определения концентрации компонентов:

1. По числу молей Niкаждого I- го компонента в объеме смеси. Для идеальных газов Ni = i[V/R T];

Ni pi = N1 p1 = N2/p2= • • • = N /p .

2.По парциальным давлениям piкомпонентов газовой смеси.

3.По молекулярной концентрации Сi, определяющей содержание числа молей i - гoкомпонента в единице объема смеси:

Ci = Ni/V = pi/(R T).

4. По объемной (молярной) концентрации riопределяющей безразмерное отношение числа молей i-гo компонента к числумолей всей смеси N . Для идеальных газов ri= Ni/N = Vi V= pi/p .

При использовании констант химического равновесия необходимо правильно применять их в соответствии с принятым способом задания концентрации компонентов реагирующих газов.

Учитывая уравнения равновесия при диссоциации сложных молекул до атомов по формуле (5), константа равновесия, выраженная через концентрацию сложной молекулы по уравнению

При определении равновесного состава справедливы и другие выражения констант равновесия, учитывающие перечисленные выше способы определения концентрации реагирующих компонентов: по парциальному давлению

В практике термохимических расчетов состава газов для ЖРД отдают предпочтение константе равновесия Kpi, выраженной через парциальные давления компонентов по уравнению (7), так как для газов, подчиняющихся уравнению состояния pV = RT, величина этой константы не зависит от давления, а определяется типом реакции и температурой газа рис. 2. Поэтому будем применять только эту

34

Если при расчетах необходимо использовать константы Кс, КNили Кrто пользуются выражениями:

Кс(R T) = К;(11)

КN=К(N /p ) . (12)

где Кrp = К; - изменение числа молей. В соответствии с (5)

Необходимо отметить, что исследования рабочего процесса в камере позволили снизить потери удельного импульса из-за несовершенства процессов, протекающих в камере сгорания и сопле.

Рис. 2. Зависимость плотности и давления насыщенных паров жидкого кислорода от температуры

Практика показывает, что без достаточных знаний рабочего процесса в камере трудно с успехом использовать энергетические

35

возможности современных все более мощных топлив. Большое внимание уделяется проблеме устойчивости горения топлив в камере ЖРД: разрабатываются новые теории, учитывающие многие факторы гидродинамической и химической природы, применяются новые методы испытаний натуральных двигателей с целью экспериментального определения их характеристик.

УДК 681.518.54

ЛАЗЕРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ КИСЛОРОД-ВОДОРОД В ЗАПАЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ

Д.В. Семёнов, студент группы РД-101, тел +7 (951) 565 24 62

В.С. Рачук, д-р техн.наук, проф.

Внастоящем разделе представлены результаты работ, по созданию систем зажигания компонентов ракетного топлива с использованием лазера применительно к топливным парам: кислород-водород, кислород-метан. В ходе экспериментов использовались модельные запальные устройства (ЗУ) близкие по основным параметрам с ЗУ, используемыми на натурных двигателях. Исследования проводились на установке, позволяющей моделировать процессы зажигания при работе ЗУ как в атмосфере, так и в условиях вакуума. Получены данные о концентрационных пределах зажигания и требуемой энергии лазерных импульсов.

Внастоящее время работы по лазерному зажиганию компонентов топлива достаточно интенсивно развиваются в мире. При этом основная масса работ, имеющих прикладное значение, сосредоточена в области ракетной техники и двигателей внутреннего сгорания.

Развитие работ в области лазерного зажигания применительно к ракетной технике обусловлено рядом преимуществ этого способа по сравнению с уже традиционно используемыми способами для несамовоспламеняющихся компонентов топлива. Так, по сравнению с электроискровым методом, при лазерном зажигании практически отсутствуют электромагнитные помехи, что особенно актуально для многосопловых двигательных установок

36

многократного включения. Немаловажно и то, что при лазерном зажигании можно осуществлять выбор зоны инициирования горения в широких геометрических пределах без изменения конструкции камеры сгорания или запального устройства. Зажигание с помощью лазера можно производить в более широком диапазоне давлений топливной смеси, чем другими методами. Современное развитие лазерной техники уже сейчас позволяет добиться снижения массогабаритных характеристик лазерных систем зажигания по сравнению с электроискровыми. Лазерное зажигание является многоразовым, практически с неограниченным числом включений, что обуславливает его преимущества по сравнению с химическим и пиротехническими способами.

Предлагаемый способ направлен на устранение указанных выше недостатков и на создание такого устройства лазерного поджига, которое делает возможным реализацию многоразового поджига топлива в ракетных двигателях, а также значительно повышает надежность, упрощает и удешевляет поджиг.

1 - камера сгорания, 2 - форсунки для вспрыскивания топлива и окислителя в камеру сгорания, 3 - факел горения световода, 4 - механизм подачи световода в камеру сгорания, 5 - световод, 6 - система ввода излучения в световод и 7 - лазер (матрица лазерных диодов)

Схема установки лазерного поджига в КС

37

Принцип работы заключается в следующем. Лазерное излучение от источника (поз.7) лазерного излучения направляется через систему ввода излучения (например, линзу) (поз.6) в световод (поз.5), у которого выходной торец покрыт светопоглощающим материалом или специально обработан (например, оплавлен) таким образом, чтобы лазерное излучение от источника (поз.7) поглощалось в плоскости выходного торца световода.

Для более уверенного запуска можно использовать несколько расположенных в камере сгорания (поз.1) световодов (поз.5) в любой конфигурации (не показано).

При этом место расположения отверстия в камере сгорания (поз.1) для ввода в нее световода (поз.5) располагают около форсунок камеры сгорания (поз.1), где скорость газового потока мала, и световод (поз.5) можно вводить в камеру сгорания (поз.1) без дополнительного держателя световода (например, трубки). В камере сгорания находится только конечный участок световода небольшой длины, которая определяется условиями горения.

Поглощенное в выходном торце излучение лазера разогревает расположенный в камере сгорания конец световода до высоких температур, которые могут достигать температур плавления или кипения материала световода (порядка 1500-2000°С).

Возможны два варианта поджига топлива:

1)Поджиг топлива происходит при контакте с сильно нагретым выходным концом световода, при этом сам световод не горит.

2)Выходной конец световода начинает гореть сам, разбрызгивая при этом раскаленные частицы своего вещества (кварца) и окружающего волокно металлического кожуха (поз.3).

Реализация одного из этих возможных вариантов поджига зависит от температуры поджига топлива при заданных условиях в камере сгорания (температуры, давления, скорости среды и др.) Реализация первого варианта требует значительно меньшей мощности лазерного излучения, чем для второго. При надлежащей мощности подводимого лазерного излучения горение будет интенсивным, способным поджечь любую горючую смесь.

Для увеличения температуры горения на поверхность световода (поз.5) может быть нанесена специальная смесь (как сплошным слоем, так и через промежутки, равные или различные по длине), например термитная. При воспламенении такая смесь

38

интенсивно сгорает с выделением большого количества теплоты, что увеличивает температуру в области возгорания и способствует поджигу топливной смеси.

Лазерное излучение подается в световод в течение всего времени поджига топлива, пока не достигнет его устойчивого горения.

Чтобы произвести следующий поджиг, сгоревшую при предыдущем поджиге концевую часть световода компенсируют введением в камеру сгорания нового участка световода посредством механизма подачи световода (поз.4), при этом его торец будет уже оплавленным. Механизм подачи световода представляет собой вращательный барабан, на который намотан световод, имеющий необходимый запас длины. Один конец световода жестко соединен с системой ввода излучения, другой - выводится в камеру сгорания и фиксируется в выходном отверстии в стенке камеры сгорания. При включении механизма подачи фиксация снимается, барабан проворачивается (например, шаговым электрическим двигателем или пружинным механизмом) на необходимый угол так, чтобы выдвинуть выводящий конец световода вглубь камеры сгорания на нужную длину. Подача световода в камеру сгорания может осуществляться и в процессе поджига. Независимо от текущего состояния работы двигателя в камере сгорания всегда находится оконечный участок световода, который полностью закрывает отверстие в стенке камеры сгорания, через которое подается световод, изолируя остальной участок световода от камеры сгорания.

Поджиг ракетных двигателей осуществляют следующим образом. Через отверстие в стенке камеры (поз.1) сгорания на определенную глубину выдвигается световод (поз.5) либо без опоры, либо с использованием некоторого держателя (не показан). В световод (поз.5) от источника (поз.7) подается лазерное излучение, импульсное или непрерывное. Поглощающий подаваемое в световод излучение выходной конец световода сильно нагревается и поджигает топливную смесь в камере сгорания (поз.1). При этом может сгорать и сам оконечный участок световода, находящийся в камере сгорания. Остающийся выходной конец световода будет иметь оплавленный и покрытый продуктами сгорания (сажей) торец, т.е. по-прежнему оставаться хорошо поглощающим излучение. При этом остальная часть

39