ГАЗОГЕНЕРАТОРЫ ЖРД.
ЖИДКОСТНЫЕ ГАЗОГЕНЕРЕТОРЫ И КАМЕРЫ ЖРД МАЛОЙ ТЯГИ
В двигателях применяют одно- и двухкомпонентные ЖГГ, которые обычно работают на основных компонентах топлива.
Важнейшим требованием к ЖГГ является обеспечение равномерного поля температур по сечению потока в выходном сечении и, следовательно, на входе в турбину.
Двухкомпонентные ЖГГ. Наиболее широко применяют двухкомпонентные ЖГГ. Они устроены во многом аналогично основным камерам и состоят из смесительной головки и корпуса, который имеет регенеративное охлаждение или выполняется неохлаждаемым.
Наибольшее влияние на конструкцию и параметры 'ЖГГ оказывает тип схемы.
В двигателях без дожигания для работы двухкомпонентного ЖГГ за главными топливными клапанами отбирается небольшая часть (обычно 2 …3 %) общего расхода основных компонентов топлива.
ЖГГ в двигателях с дожиганием являются одними из наиболее нагруженных элементов конструкции двигателя, хотя температура продуктов сгорания в них существенно ниже, чем в камере, но давление заметно больше.
ЖГГ, указанные в табл. 8.1, работают на основных компонентах топлива и, за исключением газогенераторов двигателей SSME и РД-253, относятся к двигателям без дожигания.
ЖГГ состоит из смесительной головки и камеры. Если ЖГГ работает на несамовослламеняющемся топливе, то в его состав входит также воспламенитель, устанавливаемый обычно в центре смесительной головки, или применяют третий (пусковой) компонент топлива, обеспечивающий воспламенение.
В ЖГГ обычно применяют плоскую смесительную головку и цилиндрическую камеру.
ЖГГ двигателей с дожиганием. В современных двигателях с дожиганием применяют как восстановительные, так и окислительные ЖГГ.
В кислородно-водородных двигателях с дожиганием целесообразно применять восстановительный ЖГГ, причем более эффективно использование двух ЖГГ - отдельно для ТНА жидкого кислорода и для ТНА жидкого водорода.
Восстановительный газ имеет меньшую химическую активность и большую работоспособность (из-за малой молекулярной массы и меньших температурных ограничений, определяемых сохранением целости конструкции). Однако следует считаться с повышенным (до 40 %) содержанием газообразного водорода, что создает потенциальную опасность взрыва двигателя. Использование двух ЖГГ облегчает создание высоких давлений компонентов топлива, требующихся для двигателей с дожиганием. Два ЖГГ применены в двигателе SSME. Наличие двух ЖГГ облегчает peгулирование двигателя: путем изменения расхода окислителя в ЖГГ ТНА окислителя изменяется тяга двигателя, а в ЖГГ ТНА горючего - соотношение компонентов топлива.
Оба ЖГГ имеют одинаковую конструкцию (рис. 8.1) : смесительную головку 1 с соосными двухкомпонентными форсунками 2 и цилиндрическую камеру 3 с охлаждающим трактом. В коллектор горючего обоих ЖГГ подается подогретый газообразный водород из охлаждающего тракта сопла основной камеры.
Равномерное соотношение компонентов топлива в обоих ЖГГ обеспечивается применением большого числа двухкомпонентных соосных форсунок. В каждой форсунке через центральное отверстие подается кислород, а через периферийное кольцевое отверстие - водород. Каждую форсунку проливают и при необходимости дорабатывают с таким расчетом, чтобы обеспечить постоянное соотношение компонентов топлива. После установки отобранных таким образом форсунок в головку газогенератора в его поперечном сечении обеспечивается однородное смешение.
В связи с большим числом близко расположенных форсунок окислителя с малым расходом образование, испарение и сгорание капель горючего происходит на небольшом расстоянии от огневого днища головки. Близкое расположение форсунок обусловливает равномерное выделение теплоты по сечению генератора при сгорании топлива, в результате чего уменьшается потребность во вторичном турбулентном перемешивании с целью равномерного распределения теплоты в продуктах сгорания.
Вследствие более высокой температуры продуктов сгорания ЖГГ ТНА жидкого водорода имеет медный, дефлектор. В связи с обнаружением эрозии дефлектора при послеполетных осмотрах ЖГГ вблизи мест его эрозии в дефлекторы введены дополнительные охлаждающие каналы для улучшения охлаждения указанной зоны.
Устойчивость горения в газогенераторах двигателя SSME обеспечивает-
ся путем использования охлаждаемых водородом трехлопастных перегородок 4 и акустических полостей 5 на периферии смесительной головки.
Отклонения температуры в любой точке потока генераторного газа на входе в турбину от номинального значения не должны превышать ± 42 К. Повышенная температура генераторного газа создает недопустимые напряжения в лопатках турбины, а пониженная температура снижает КПД турбины.
Дублированные воспламенители обеспечивают высокотемпературный поток продуктов сгорания для воспламенения топлива в каждом из ЖГГ. Указанные воспламенители работают в течение 3 с при запуске двигателя.
В двигателях с дожиганием на высококипящих компонентах топлива дня привода ТНА применяют окислительный ЖГГ. Примером такого газогенератора является ЖГГ двигателя РД-25З. В ЖГГ поступает примерно 75 % расхода компонентов топлива и вырабатывается газ с температурой 780 К и давлением примерно 24 МПа. ЖГГ имеет сферическую форму (рис. 8.2) и охлаждается окислителем.
Использование окислительных ЖГГ, работающих на высококипящих компонентах топлива, исключает возможность образования сажи и ее осаждения по газовому тракту, но требует подбора конструкционных материалов, которые должны надежно (без возгорания) работать при контакте с продуктами сгорания высокого давления, содержащими избыток окислителя.
В ряде перспективных кислородно-углеводородных двигателей с дожиганием для РН целесообразно одновременно использовать восстановительный и окислительный ЖГГ. Использование двух ЖГГ в таких двигателях устраняет необходимость в сложных и массивных узлах герметизации в ТНА высокого давления и в системе продувки, что снижает массу двигателя.
Имеются потенциальные трудности создания как восстановительного, так и окислительного ЖГГ на топливе (О2)ж + УВГ ( углеводородное горючее).
Применение восстановительного ЖГГ приводит к низкой полноте сгорания и отложениям углерода в соплах турбины и других местах тракта турбинного газа, снижающим ее кпд. В окислительном ЖГГ требуются специальные меры по обеспечению стойкости конструкции к возгоранию в окислительной среде.
В качестве примера ниже рассмотрены результаты проведенных в СЫА испытаний модельных восстановительного и окислительного ЖГГ с давлением в их камере сгорания 2,9 .. .17,5 МПа и расходом компонентов топлива для ЖГГ с избытком горючего 12,6 ... 27 кг/с при диаметре камеры сгорания 101,6 мм и для ЖГГ с избытком окислителя 32 .. .38 кг/с.
Степень неравномерности температурного поля в выходном сечении указанных ЖГГ зависела от типа смесительной головки и от наличия или отсутствия турбулизирующего кольца. Последнее в ЖГГ с избытком горючего представляло собой шайбу с внутренним диаметром 76 мм, расположенную на расстоянии 121 мм от огневого днища головки.
Испытаны два типа смесительных головок восстановительных ЖГГ: с двухструнными форсунками горючего с соударением струй и с форсунками окислителя с несталкивающимися СТРУЯМИ (указанные форсунки равномерно чередуются); отверстия форсунок выполнялись на электроискровой установке;
с центробежными двухкомпонентными форсунками, причем горючее и окислитель распыливались во внешнем и внутреннем конусах соответственно.
Без турбулизирующего кольца меньший (в 2 ... 3 раза) разброс температуры по сечению обеспечивали головки с центробежными форсунками. При наличии турбупизирующего кольца температура газа по сечению потока у обоих типов смесительных головок становилась равномерной. Разброс температуры составлял всего ± 5,5 К. Такое значительное улучшение смесеобразования было достигнуто несмотря на то, что перепад давлений на турбулизирующем кольце составил всего 1 ... 2 % давления в ЖГГ.
При испытании окислительных ЖГГ, в которых использовались стенки из никеля без покрытия и с покрытием на основе двуокиси циркония, особых трудностей не возникало, но тем не менее выборконструкционных материалов для указанных газогенераторов требует особого внимания; необходимы специальные исследования совместимости конструкционных материалов с продуктами сгорания с избытком кислорода с целью выбора материалов, стойких к воздействию указанных продуктов при высоких значениях их давления и скорости.
В 1981 г. Центром им. Льюиса получены положительные результаты при исследовании Возможностей работы ЖГГ с избытком кислорода для топлив (О2)ж + (Н2)ж и (О2)ж + RP-1. '
ЖГГ ЖРД без дожигания. Такие ГГ работают в более благоприятных условиях, чем ЖГГ двигателей с дожиганием. В составе двигателей без дожигания ЖГГ обеспечивает привод как общего ТНА, так и одновременно ТНА окислителя и ТНА горючего (рис. 8.3). Последний вариант применен в ЖРД J -2, НМ·60 и LE·5. Например, в ЖРД LE·5 генераторный газ сначала поступает на турбину жидкого водорода (842 К), а затем на турбину ТНА жидкого кислорода (693 К).
В распылительных головках ЖГГ двигателей без дожигания часто Применяют струйные (в том числе соосные двухкомпонентные) форсунки.
Находят применение форсунки со сталкивающимися струями жидких компонентов топлива (двигатель НМ-60), двухкомпонентныесоосные форсунки по типу форсунок ГГ двигателя SSME (ЖРД LЕ.5)и др. Головка ЖГГ двигателя НМ-7 состоит из центральной трехструйной кислородной форсунки, окруженной двенадцатью отверстиями, через которые впрыскивается жидкий водород. Водород ударяется в кольцо и смешивается с кислородом. Такая головка обеспечивает высокую однородность температурного поля на входе в турбину.
Четыре основные трехструйные форсунки (сталкиваются две струи горючего и одна струя окислителя) применялись в ЖГГ двигателя LR 81-ВА-lЗ (8247) ракетной ступени "Аджена". В указанном ЖГГ для пленочного охлаждения использовались восемь духструйных форсунок.
В головке ЖГГ двигателя F-l пять форсунок окислителя и пять форсунок горючего располагались по концентрическим окружностям; дополнительно через периферийные форсунки подавалось горючее для внутреннего охлаждения. Регенеративное охлаждение горючим в дополнение к внутреннему охлаждению использовалось в ЖГГ двигателя Р.1, поэтому камера указанного ЖГГ (она имела полусферическую форму) имела двойные стенки.
В ЖГГ двигателя РД-216 использовалась головка с сотовым расположением шнековых форсунок (рис. 8.4). Стенки ЖГГ охлаждаются завесой горючего.
На распределение соотношения компонентов топлива по поперечному сечению ЖГГ оказывают влияние ·магистрали, Подводящие компоненты к ЖГГ, при этом могут появляться зоны с повышенной или пониженной температурой газа. Поэтому проводят специальные проливки ЖГГ со штатными подводящими магистралями и при необходимости вносят соответствующие изменения в конструкцию.
Обеспечение надежного и эффективного горения с большим избытком одного из компонентов топлива является достаточно трудной задачей. Для ее решения в некоторых ЖГГ избыточный компонент распределяют между смесительной головкой и дополнительным поясом форсунок-распылителей, при этом в ЖГГ образуются две зоны горения: с высокой и пониженной температурой; такие газогенераторы называют двухзонными в отличие от всех рассмотренных выше ЖГГ, которые являются однозонными газогенераторами. Примерам двухзонного ЖГГ является газогенератор двигателя RZ-2.
Специфичным является ЖГГ двигателей "Викинг-5" и "Викинг-4"; фактически он работает на трех компонентах: N2 04, НДМГ и воде. Расход воды составляет примерно 1,5 % расхода компонентов топлива в ЖГГ. Вода используется для охлаждения ЖГГ и разбавления его продуктов сгорания, образующихся при сжигании небольшой доли компонентов топлива с К т ~ К т стех: Для подачи воды в составе ТНА указанных двигателей имеется специальный насос. Первый ЖГГ такого типа был разработан в Газодинамической лаборатории еще в 1935 .. .1936 гг.
В ЖГГ двигателей без дожигания используются как пиротехнические (такой воспламенитель устанавливается в центре головки ЖГГ двигателя НМ-60), так и электроискровые воспламенители. Например, в газогенераторах двигателей F-1 и J -2 Вмонтированы по две запальные свечи.
Обычно выходное сечение ЖГГ перпендикулярно к их оси, но в ЖГГ двигателя LE-5 отвод генераторного газа осуществляется из двух патрубков под углом 90° к оси ЖГГ.
Восстановительные ЖГГ, имеющие регенеративное охлаждение, изготовпяют из коррозионно-стойких сталей. Для ЖГГ без регенеративного охлаждения необходимо использовать жаропрочные сплавы: например, для ЖГГ двигателя LE-5 применен сплав "Хастеллой" С-276.
Однокомпонентные ЖГГ. Конструкция, процессы и ряд параметров (в особенности, температура продуктов разложения) в однокомпонентных ЖГГ и камерах однокомпонентных двигателей во многом аналогичны, но ЖГГ отличаются заметно большими значениями давления и расхода продуктов разложения. Особенно это относилось бы к ЖГГ двигателей с дожиганием, но в них однокомпонентные ЖГГ обычно не применяют. В современных двигателях без дожигания однокомпонентные ЖГГ практически не применяют. Но в двигателях, созданных в 1940.:.1960 П., широко применяли однокомпонентные ЖГГ, в которых разлагалась перекись водорода с концентрацией 80 % и более. Такие ЖГГ, вырабатывающие смесь водяного пара и газообразного кислорода, называли парогазогенераторами (ПГГ). В них применяли каталитическое разложение, осуществляемое соприкосновением жидкого компонента с пакетом твердого катализатора, размещаемым непосредственно в газогенераторе.
Катализатором называют вещество, ускоряющее химическую реакцию (в рассматриваемом случае реакцию разложения компонента на газообразные продукты с выделением теплоты) и не претерпевающее при этом химических изменений. Каталитическому разложению подвергаются ограниченное число основных компонентов топлива (в основном перекись водорода, гидразин и НДМГ).
Различают гранульные и сетчатые катализаторы.
Гранульные катализаторы представляют собой зерна твердой основы-носителя, который должен обладать, возможно, большей пористостью и стойкостью к температурным ударам и эрозии. Для разложения перекиси водорода в гранульных катализаторах использовали окислы и соли железа и двуокись марганца.
ЖГГ с гранульным катализатором применены в двигателях РД-107, РД-108 и РД-214. В ЖГГ двигателей РД-107 и РД-108 (рис. 8.5) 82 %-ная перекись водорода подается специальным насосом в полость между двумя пакетами катализатора. Проходя через них, перекись водорода разлагается на газообразную смесь с давлением 5,4 МПа и температурой 830 К (расход 8,8 кг/с); указанная смесь поступает на турбину по двум патрубкам. Как корпус ЖГГ, так и оба патрубка имеют термоизоляцию для сведения к минимуму потерь теплоты в окружающую среду. ПГГ РД-214 аналогичен указанному газогенератору.
Сетчатые катализаторы, отличающиеся большим ресурсом, выполнял в виде компактного спрессованного блока из нескольких десятков сеток, причем сетки из активного материала размещаются между сетками из коррозионно-стойкой стали. Активным материалом для разложения перекиси водорода служат латунь, никель и серебро; последнее наносится 3 виде слоя на коррозионно-стойкую сталь.
В качестве примеров ЖГГ, работающих на перекиси водорода с сетчатым катализатором, можно указать на ЖГГ двигателя "Гамма Мк 304", ТОПЛИВО - 85 %-ная Н2О2 и керосин (пакет этого газогенератора состоял из 70 никелевых сеток, покрытых серебром), и на ЖГГ двигателя LR-99R.\t-l экспериментального самолета Х-15, топливо - 90 %-ная Н2О2 и NНз (пакет катализатора представлял собой 35 стальных сеток, покрытых серебром и размещенных между 36-ю сетками из коррозионно-стойкой стали; температура продуктов разложения примерно 875 К; ресурс 1 ч).
Температура продуктов разложения перекиси водорода возрастает с увеличением концентрации перекиси водорода и при 80 ... 90 %-ной концентрации составляет 720 ... 1030 К.
Термическим называют разложение жидкого компонента, при котором каждая новая порция жидкого компонента разлагается теплотой, выделив- шейся при разложении предыдущих порций, В конструкции ЖГГ с термическим разложением используют соответствующий способ разогрева первых порций жидкого компонента, обеспечивающих начало разложения компонента, и тепловой аккумулятор, поддерживающий начавшееся разложение.
В ЖГГ двигателя РД-119, который рассмотрен ниже, указанный разогрев осуществляется при запуске газами, образующимися при сгорании порохового заряда и используемыми для раскрутки ротора ТНА, а тепловым аккумулятором являются куски сварочного угля, постоянно подогреваемые теплотой, выделяемой при разложении НДМГ.
В качестве примера однокомпонентного ЖГГ с термическим разложением рассмотрим ЖГГ двигателя РД-119 (рис. 8.6).
Генератор состоит из оболочки, вставного узла и дополнительного воспламенителя с запальником.
Оболочка состоит из корпуса 1 и крышки 9, свинченных друг с другом по резьбе и сваренных по буртам. Корпус и крышка изготавливаются из жаропрочного сплава.
К днищу корпуса 1 приварен переходник 19, соединяющий газогенератор с сопловым коллектором турбины, и ниппель 2, через который в газогенератор подводится горючее (НДМГ).
Вставной узел состоит из распылителя, пороховой шашки и угольной засыпки. Полый распылитель 7 квадратного сечения соединяется с ниппелем 2 через прокладку по резьбе; в распылитель впаяны центробежные форсунки 16. Пороховая шашка представляет собой полый цилиндр; она размещается в кольцевой полости между распылителем и угольной засыпкой и поджимается пружинным держателем 1О к опорному кольцу 4. Угольная засыпка 8 представляет собой цилиндрические кусочки сварочного угля, размещаемые между перфорированными стаканами - внутренним 6 и наружным 5.
Полости пороховой шашки и угольной засыпки герметизируются со стороны корпуса днищем 3. Полость угольной засыпки дополнительно герметизируется со стороны крышки разрезными кольцами 14, установленными в кольцевые выточки в крышке 15. Дня обеспечения гарантированного зазора между вставным узлом и оболочкой к наружному стакану приварены ребра и прутки.
Дополнительный воспламенитель 11 устанавливается со стороны крышки. Для воспламенения его порохового заряда служит запальник, состоящий из воспламенителя 12 и двух пиропатронов 13.
Продукты сгорания пороховой шашки указанного ЖГГ выполняют две функции: обеспечивают раскрутку ротора ТНА и разогрев засыпки из сварочного угля, необходимый дня начала процесса термического разложения горючего. При запуске двигателя РД-119 подается напряжение на пиропатроны запальника, которые срабатывают, в результате чего поджигается воспламенитель и начинает гореть пороховая шашка. Газы, образующиеся при сгорании пороховой шашки, через отверстия во внутреннем стакане попадают в Полость угольной засыпки. Проходя через уголь, газы нагревают его и через отверстия в наружном стакане по зазору между ним и оболочкой поступают к мембране свободного прорыва 18, установленной в переходнике 19 и поджатой гайкой 17. Указанная мембрана герметизирует внутреннюю полость газогенератора, обеспечивая изоляцию порохового заряда от окружающей среды при хранении и создание первоначального подпора при воспламенении порохового заряда. При определенном давлении газов мембрана разрывается и газы поступают в турбину. Примерно за 0,2 с до конца горения шашки к распылителю подается нагретое горючее из охлаждающего тракта камеры. Горючее через форсунки распылителя впрыскивается в полость, образующуюся после сгорания пороховой шашки, и через отверстия во внутреннем стакане попадает на разогретый уголь. Под действием высокой температуры угля и пороховых газов мелко распыленное горючее разогревается до температуры, при которой начинается его разложение с большим выделением теплоты и образованием газа. Выделяемая теплота обеспечивает постоянный подогрев УГЛЯ, необходимый ДЛЯ разложения последующих порций горючего. Образующийся газ через отверстия в наружном стакане и зазор между ним и оболочкой через переходник поступает в турбину.
В связи с большей эффективностью гидразина по сравнению с перекисью водорода и НДМГ более перспективными являются гидразиновые однокомпонентные ЖГГ.
Примером эффективного гранульного катализатора для разложения гидразина является катализатор "IIIелл405", представляющий собой зерна окиси алюминия размером 1 .. .2,5 мм с сильно развитой поверхностью (удельная поверхность примерно 160 см2/г). Указанные зерна покрыты иридием - одним из наиболее активных инициаторов разложения гидразина. Катализатор обладает многими свойствами, необходимыми дня успешного применения: высокой каталитической способностью, высокой теплопроводностью, малым коэффициентом термического расширения, высокой термостойкостью и хорошими механическими свойствами. Катализатор "IUелл405" работает при температуре 475 ... 575 К без подогрева.
. Основными параметрами, необходимыми для расчета размера пакета
твердого катализатора, являются:
1) удельная поверхность катализатора - площадь активной поверхности катализатора, приходящаяся на единицу его объема. Для ряда применяемых катализаторов удельная поверхность составляет 8 ... 80 см2 /смЗ; 2) удельная нагрузка катализатора - максимально допустимый расход жидкого компонента топлива, приходящийся на 1 кг катализатора.
Например, для твердого катализатора, состоящего из перманганата кальция СаМПО4 и хромовокислого калия, при использовании 80 %-ной перекиси водорода удельная нагрузка составляет 2,5 ... 2,6 (кг/с)/кг.
С увеличением удельной поверхности и удельной нагрузки катализатора уменьшается потребный объем пакета катализатора, а следовательно, объем и масса ЖГГ.
Большой интерес. представляет конструкция ЖГГ турбонасосной установки гидросистемы МТКК "Спейс шаттл", хотя этот ЖГГ является вспомогательным в основной ДУ и .предназначен для сверхзвуковой двухступенчатой турбины, приводящей насос гидравлической жидкости. Указанный насос создает давление гидравлической жидкости в гидросистеме основной ДУ.
Основными параметрами указанного газогенератора, работающего на rидpaзине, являются: давление продуктов разложения 9,07 МПа; их температура на выходе из генератора 1200 К; расход продуктов разложения 0,12 кг/с. .
ЖГГ состоит из форсунки, пакета катализатора, камеры разложения сопла. Гидразин подводится к форсунке через трубку с одним входным отверстием. Форсунка с четырьмя распылительными элементами расположена внутри пакета катализатора, представляющего собой полый цилиндр; гидразин из указанных элементов разбрызгивается радиально. Корпус камеры разложения и сопло имеют спой теплозащиты. Они соединяются друг с другом резьбовым соединением, что наряду со съемными упорами пакета катализатора обеспечивает его простую замену при восстановительном ремонте.
Все основные элементы конструкции ЖГГ изготавливают из никелевого сплава "Хастеллой В". .
Для надежного запуска и обеспечения необходимых динамических характеристик запуска ЖГГ в момент его включения должен иметь температуру не ниже 368 К. Терморегулирование газогенератора обеспечивает01 дублированными электроподогревателями (N = 57 Вт; V = 28 В), термоизоляцией, лучистым экраном и другими средствами.
ЖГГ турбонасосных установок работают с момента старта МТКК до его выхода на орбиту, а также на участке схода с орбиты вплоть до посадки на взлетно-посадочную полосу пуско-посадочного комплекса. Турбонасосные установки имели ряд дефектов при полетах МТКК, но они не отразились на успешном полете кораблей. На период до 1984 г. 31 ЖГГ указанных установок запускался более 200 раз при суммарной наработке свыше 50 ч в процессе полетов.
До самоподдерживающегося термического разложения гидразина необходима температура примерно 675 К.
Температуру продуктов разложения гидразина (смесь NН3, Н2 и N2), а при полном разложении NНэ (смесь Н2 и N:z можно получить в пределах от 875 до 1475 К изменением времени пребывания гидразина в пакете катализатора и изменения длины ЖГГ (путем управления степенью разложения гицразина) .
Одна из проблем гидразиновых ЖГГ связана с обеспечением стойкости материалов к продуктам разложения гидразина. Для использования ,камер разложения в ряде случаев приходится использовать такие металлы, как молибден и рений.