Материал: Ракетно-космическая техника и технология 2015. тез. докл. Российской науч.- техн. конф., посвященной 50-летию первого запуска РН «Протон» 16 июля 1965 года. Федеральное космическое агентство

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