Автореферат (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 2

Из-за роста мощноститурбины ТНА приходится повышать температуру генераторного газа на входе в турбинуи(или) перепад давления на турбине в двигателях с дожиганием, а в двигателях «открытойсхемы» повышать либо температуру, либо расход генераторного газа через турбину. Такимобразом, повышается энергонапряженность агрегатов системы подачи двигателя, в первуюочередь ТНА и газогенератора.Выходом из сложившейся ситуации может быть применение модернизированногогорючего на основе керосина с добавкой полимера.К настоящему времени найдено и изучено большое количество присадоквысокомолекулярных полимеров (ВМП), снижающих гидравлическое сопротивление втурбулентном потоке жидкостей различного рода, применение которых позволяет решатьмножество проблем, связанных с энергосбережением.Полимерные присадки применяют для снижения гидродинамических шумов иуменьшения лобового сопротивления движению подводных и надводных объектов,использование полимерной присадки в воде при тушении пожаров делает струю болееустойчивой к разрушению и увеличивают ее дальнобойность, в медицине при6внутривенном введении растворов синтетического полиэтиленоксида марки WSR-301уменьшается артериальное давление и увеличивается минутный объем кровообращения безувеличения частоты сердцебиения.

Не меньший интерес представляют собой полимеры,растворимые в углеводородных жидкостях. В последние десятилетия их активно изучают, иони все больше находят применение у нефтеперекачивающих компаний, т.к. ихиспользование позволяет достичь ощутимого снижения энергозатрат на транспорт нефтиПриведенные примеры практического использования полимеров для гашениятурбулентности свидетельствуют о высоком прикладном потенциале эффекта снижениягидродинамического сопротивления. Так АТП, растворимые в углеводородах, нашли своеприменение и в ракетно-космической отрасли в качестве добавки к компонентам топлива,снижающей гидравлическое сопротивление в трактах подачи ЖРД.Положительный эффект заключается в придании компоненту жидкого ракетноготоплива свойства лучшей текучести в гидравлических трактах системы подачи ЖРД. Этореализуется путём введения в высококипящие КЖРТ микроскопического количества (сотыедоли процента от массы КЖРТ) высокомолекулярной добавки.

Такой присадкой к керосинудля кислородно-керосиновых ЖРД является высокомолекулярный полиизобутилен (ПИБ).Работоспособность ЖРД с полимерной присадкой ПИБ и эффективность еёприменения подтверждена работами в ОАО "НПО Энергомаш" и огневыми испытаниямикислородно-керосиновых двигателей: РД170 тягой на земле 740 тс, двигателя 14Д22 тягойна земле ~80 тс и двигателя 11Д58М тягой в пустоте ~8 тс.Вглаветакжерассмотреныработыпоисследованиюисозданиюсамовоспламеняющихся топлив.

Отмечены их достоинства и недостатки, а такжевозможность применения их в качестве топлив для ЖРД.Существует множество систем воспламенения: электроискровое, пиротехническиеустройства воспламенения, лазерные воспламенители и др. Одним из самых простых инадежных способов воспламенения в ЖРД является самовоспламенение топлива, котороеосуществляется только лишь за счет химической реакции при контакте компонентов.С момента обнаружения эффекта самовоспламенения в 30-40х годах прошлого векабыло испытано больше количество композиций. В большинстве случаев в качествегорючего выступали вещества из группы аминов, окислителем же чаще всего была азотнаякислота. На сегодняшний день основным самовоспламеняющимся топливом, используемымна многих отечественных двигателях являются токсичные АТ и НДМГ.7Среди экологически чистых компонентов топлива нет самовоспламеняющихся, аисследовательскиеработыпоизучениюсамовоспламенениятакихкомпонентовпрактически отсутствуют.Во второй главе приводятся методы и результаты исследований свойств нафтила сразличной концентрацией добавки ПИБ.По заданию ОАО «НПО Энергомаш» проведено комплексное исследование свойстврастворов высокомолекулярного полиизобутилена в ракетном горючем РГ-1 (нафтил)разных концентраций и соответствие их нормам ТУ 38.001244-81.

Определение свойствкеросина с добавкой и корректировка ТУ ускоряют внедрение нового горючего ииспользование его на действующих кислородно-керосиновых двигателях в качествеосновного.В процессе исследования было изучено влияние добавки высокомолекулярного ПИБна фракционный, элементный и углеводородный составы керосина, а также на егофизические, эксплуатационные свойства и на теплофизические характеристики.Изучение свойств и характеристик керосина с добавкой ПИБ проводились взависимости от содержания (концентрации) полимера в растворе. Диапазон концентрацийвыбранэкспериментальноизусловиямаксимальнойэффективностипримененияполимерной присадки ПИБ в ЖРД.Лабораторные образцы для изучения:1.

Образец №1 – горючее нафтил, соответствующее требованиям ТУ 38.001244-81;2. Образец № 2 – горючее нафтил с добавкой ПИБ в количестве 0,01 % масс.;3. Образец № 3 – горючее нафтил с добавкой ПИБ в количестве 0,05 % масс.;4. Образец № 4 – горючее нафтил с добавкой ПИБ в количестве 0,1 % масс.Таблица 1.Основные отличия показателей качества для растворов ПИБ в нафтиле.Результаты испытанийПоказательОбразец №1Образец №2Образец №3Образец №4Норма по ТУ38001244-81Кинематическаявязкость,мм2/с:при 20°СКинематическаявязкость,мм2/с:при - 40°ССодержаниефактических смол,мг/ 100 см3 топливаТеплопроводность2,548,049,6311,41не менее 2,518,1619,2723,0827,47не более 251,52232,565,0не более 2,00,1220,1120,1120,112-при 200С, Вт/(м*К)8Результаты определения показателей качества по ТУ 38.001244-81 показывают, чтодобавление ПИБ в концентрациях от 0,01 до 0,1 % масс.

в целом не ухудшает качествотоплива. Исключение составляют значения содержания фактических смол, которые дляобразцов №№ 2-4 превышают норму для нафтила. Указанный показатель в основномхарактеризует склонность топлива к образованию отложений (продуктов окисления,конденсации и полимеризации) при нагревании в топливной системе бензиновых,дизельных и газотурбинных двигателей.Кинематическая вязкость увеличивается практически линейно пропорциональноувеличению концентрации ПИБ в топливе, и при концентрации 0,1 % масс.

находятся наверхнем диапазоне значений, установленных ТУ 38.001244-81.Анализ образцов и расчеты, проведенные на их основе, свидетельствуют обидентичности основных физико-химических, эксплуатационных показателей, критическихпараметров топлива нафтила и топлива нафтил с ПИБ.В третьей главе диссертации проводится экспериментальное исследование влиянияполимернойдобавкиПИБккеросинунамелкостьраспыливаниякомпонентацентробежными форсунками. Приводится описание огневого испытательного стенда, иконструкцииэкспериментальногоРДМТ.Представленырезультатыогневыхэкспериментов и измерений полноты сгорания топлива с использованием в качествегорючего чистого керосина и керосина с добавкой ПИБ.Влияние добавки на мелкость распыливанияМелкость распыла жидкости, как известно, зависит от многих факторов: типафорсунки, конструкции и производительности, гидравлических характеристик, перепададавления и др. Тонкость распыла форсунки является качественным критерием,определяющим полноту сгорания топлива, и характеризуется среднемассовым диаметромобразующихся капель.

Чем меньше средний диаметр капель, тем лучше распыл и,соответственно, смешение и выгорание топлива будет более равномерным и полным.В работе для определения диаметра капель использовался оптический методизмерения, основанный на явлении рассеяния плоской монохроматической волны светакаплями жидкости. Кривая, характеризующая интенсивность рассеянного света на углу(индикатрисарассеяния)можетбытьиспользованадляопределенияфункциираспределения капель по размерам в объеме аэрозоля, попадающего в световой пучок.На Рисунке 1 показана принципиальная схема измерения дисперсности распыла.9Рисунок 1.

Принципиальная схема системы измерения распределения капель поразмеру. 1- полупроводниковый лазер; 2 - диафрагма; 3 - измерительный объем; 4 рассеянные лучи лазера; 5 - линза; 6 - экран; 7, 8, 9, 10 - цифровые фотоаппараты; 11 коммутатор; 12 - пульт управления фотосъемкой; 13 - адаптер; 14 - компьютер.Для обработки полученных изображений капель и расчета параметров дисперсностиаэрозольного облака используется программа, разработанная в МАИ на кафедре 201 иреализованная на базе пакета MATLAB.Для исследования влияния полимерной добавки на тонкость распыла керосина быловыбрано 3 центробежных форсунки с разной геометрической характеристикой.

Общий видфорсунки показан на Рисунке 2, геометрические размеры приведены в Таблице 2.Рисунок 2. Общий вид форсунки. 1 - сопло; 2 - завихритель.10Таблица 2. Геометрические параметры форсунок.Диаметр соплаДиаметрЧисло каналовГеометрическаяd, ммкамерызавихрителя, nхарактеристика,закручиванияАdкз, мм№10,5320,9№20,7321,27№31,5341,37Мелкость распыла оценивалась по диаметру Заутера в зависимости от следующихфакторов d32=f(A,C%,Δp), где - A - геометрическая характеристика; C% - концентрациядобавки ПИБ в керосине; Δp - перепад давления на форсунке.Экспериментпроводилсядляразличныхзначенийскоростижидкости.Регистрировались следующие газодинамические параметры: Q – расход, Δpж - перепаддавления на форсунке, Тг - температура окружающего газа, ρг - плотность окружающегогаза.

Фотографированием определялся угол распыла. Результаты измерений сведены вТаблицу 3.Таблица 3. Результаты измерений распыла для перепада давления ΔPф>0,8МПа.форсункакеросинКоэф. расхода, ψэксп№1№2Обр. №10,520,28Обр. №20,2Обр. №3Обр. №4№3Угол распыла, α, градd32, мкм№1№2№3№1№2№30,24575901330320,30,18струя2470-34400,120,380,2струя1046--48-0,90,23струяструя20---Экспериментальные зависимости расхода керосина с различной концентрациейдобавки полимера от перепада давления для форсунки №2, представленные на Рисунке 3,свидетельствуют о том, что с увеличением концентрации добавки происходит увеличениерасхода при постоянном перепаде давления. Распыл с увеличением концентрации добавкизаметно ухудшается.

Угол факела убывает с увеличением концентрации полимера вкеросине, а течение в форсунке переходит из центробежного в струйное.11Рисунок 3. Расходная характеристика форсунки №2.Основным фактором, оказывающим наибольшее влияние на распыл являетсявязкость. Несмотря на микроскопическое содержание полимера в растворе, вязкостькеросина существенно возрастает, и она тем больше, чем выше молекулярная массадобавляемого полимера.Из-за вязкости жидкости на стенке камеры закручивания возникают силы трения,направленные в сторону, противоположную скорости течения.