Однокомпонентные жидкостные газогенераторы

 

Главная особенность однокомпонентных ЖГГ состоит в том, что процесс горения в них отсутствует. Однокомпонентные ЖГГ широко использовались в ЖРД, созданных в 1940–1960 гг. В однокомпонентных ЖГГ рабочее тело турбины получается путем разложения унитарного (однокомпонентного) топлива. Разложение топлива осуществляется каталитическим путем. ЖГГ, работающие на перекиси водорода, получили название парогазогенераторов.

 

Парогазогенераторы. В подавляющем большинстве в однокомпонентных ЖГГ используют реакцию каталитического разложения перекиси водорода 80 – 90 %-й концентрации. Осуществляется это разложение в реакторе, который называется газогенератором. При разложении перекиси водорода образуется газовая смесь (парогаз), которая состоит из водяного пара и кислорода. Процесс разложения перекиси водорода сопровождается выделением большого количества тепла. Этого тепла хватает для превращения воды в пар и нагрева всей смеси до высокой температуры . Температуру парогаза можно повысить, если вводить в раствор перекиси водорода добавки (например, фенол, глицерин).

Температура газа на выходе ЖГГ не должна превышать допустимую для конструктивных элементов, находящихся под воздействием газового потока (1000–1200 К). При этом ко всем газогенераторам предъявляется одно общее требование – получение возможно большего значения параметра RT рабочего тела турбины (R – газовая постоянная, Т – температура газа). Величина RT влияет на работоспособность генераторного газа. Кроме того, на работоспособность рабочего тела турбины влияет расход и давление генераторного газа.

Преимуществом ПГГ является простота регулирования подачи парогаза. При неизменной температуре и постоянной концентрации перекиси водорода температура парогаза постоянна, а количество вырабатываемого парогаза зависит только от расхода перекиси, подаваемой в ПГГ. Это означает, что для поддержания заданного режима работы ТНА необходимо всего лишь иметь перед реактором регулятор подачи перекиси водорода. Мощность турбины ТНА регулируется расходом подаваемой в ПГГ перекиси водорода.

Кроме перекиси, источником генераторного газа могут служить и другие жидкие вещества, например: диметилгидразин, НДМГ, гидразин, нитрометан, окись этилена, аммиак.

 

Катализаторы. Для разложения унитарного топлива применяют жидкий или твердый катализатор. Наибольшее применение получил твердый катализатор, размещаемый в корпусе ЖГГ. Жидкий катализатор используют лишь для некоторых специальных целей.

 

Жидкий катализатор. Расход жидкого катализатора не превышает 7–10 % от расхода перекиси. Преимуществом ПГГ с жидким катализатором является возможность длительной работы, недостатком – необходимость иметь систему регулирования подачи жидкого катализатора. Кроме того, добавление жидкого катализатора снижает концентрацию перекиси водорода. Усложнение схемы ЖРД с применением жидкого катализатора ведет к увеличению массы двигателя. Этих недостатков лишены однокомпонентные газогенераторы с твердым катализатором.

 

Твердый зернистый катализатор. Твердый кусковой катализатор представляет собой пористые гранулы-носители (зерна), пропитанные каталитически активными солями (например, перманганатом калия КMnO₄, или натрия NaMnO₄), необходимыми для разложения перекиси водорода. Схема такого газогенератора показана на рис. 2.1.

 

Рис. 2.1. Схема однокомпонентного газогенератора

Зерна катализатора располагают в сетке (коробке катализатора), устанавливаемой в корпусе газогенератора. Зерна могут быть из гипса или цемента. Количество необходимого катализатора определяется его активностью. При работе ПГГ происходит унос частиц катализатора вместе с парогазом. В этой связи происходит снижение активности катализатора и износ лопаток турбины.

Твердый сетчатый катализатор. Более совершенной является конструкция ПГГ с катализатором в виде металлической сетки (рис. 2.2). Перекись водорода через пластину с отверстиями 1 проходит в камеру реактора, в которой расположены два пакета металлических сеток. Пакет 2 состоит из сеток, покрытых катализатором, а нижний пакет 4 – из сеток без покрытия. Сетки пакета 2 обычно выполнены из серебра и покрыты окисью самария (применяют также сетки из латуни с посеребрением).

 

Рис. 2.2. Однокомпонентный газогенератор с катализатором в виде сетки: 1 – пластина; 2, 4 – пакеты металлических сеток; 3 – кольца; 5 – выходной патрубок; 6 – корпус реактора; 7 – крышка корпуса; 8 – разбрасывающее устройство; 9 – полость над пластиной

 

Серебряные или посеребренные сетки являются активным катализатором, но имеют высокую стоимость. Пакет 4 состоит из никелевых сеток. Это значительно дешевле, но активность катализатора из никелевых сеток меньше. Пакет 4 предназначен для разложения той части перекиси, которая не разложилась после протекания через пакет 2. Кроме того, пакет 4 служит для задержки частиц серебра, уносимых парогазом. Между пакетами и корпусом запрессовываются кольца 3, предотвращающие перетекание перекиси водорода из полости 9 в патрубок 5, минуя сетки катализатора.

Сетки катализатора спрессовывают под высоким давлением. Они имеют 100–400 отверстий на 1 см². Отверстия в пластине 1 обеспечивают равномерный подвод перекиси водорода к пакетам катализатора. Диаметр отверстий равен 0,8–3,2 мм.

В отдельных конструкциях ПГГ применяют пакеты из стальных сеток, покрытых серебром, и сеток из нержавеющей стали. Общее количество сеток может быть более 70. Некоторые конструкции ПГГ имеют реактор шаровой формы и выполняются из нержавеющей стали.

Заключение. Общей характеристикой однокомпонентных ГГ являются следующие положения.

1. Однокомпонентные газогенераторы для газификации унитарного топлива имеют жидкий или твердый катализатор. Твердый катализатор бывает зернистого или сетчатого типа. Сетчатые катализаторы имеют 70 и более сеток. Материал сеток – серебро или никель, а также латунь или сталь с посеребрением.

2. Работоспособность генераторного газа зависит от его температуры, давления и расхода.

3. Работоспособность генераторного газа ПГГ не достигает своих предельных значений из-за невысоких температур парогаза.

4. Повышения температур парогаза достигают за счет специальных добавок к перекиси водорода.