Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 14

Концентрации токсичных веществ на срезе сопла со степеньюрасширения ε= 1000.ВеществоЧистый10152025керосин100%ПДКПДКдобавкив рабочей максимзоне,альнаямг/м3разоваямг/м3[72]B2O3------55H3BO3-1,7432,0282,2342,4082,101100,02CO------2035CO214 44014 17013 99013 82013 65011 12330 000-HBO2-1,5912,0632,7353,33920,53747,71-По данным проведённого расчёта видно, что только ортоборная кислотапревышает максимальное разовое значение ПДК. Остальные продукты сгоранияне выходят за рамки допустимых концентраций.Таблица 22.

Концентрации токсичных веществ на срезе сопла со степеньюрасширения ε=62,76.ВеществоЧистый101520керосин25100%ПДКПДКдобавквмаксимаирабочейльнаязоне,разовая,72]B2O3-4,48*10-310*10-319*10-329*10-3 0,61872]мг/м3 [мг/м3 [5596H3BO3-0,5080,7450,9291,1232,247100,02CO1,1381,271,2931,4321,4893,7982035CO214 82014 55014 40014 2701412 03030 000-1076747,71-130HBO2-105,86158,86212,06265,3Анализируя полученные данные видно, что ортоборная кислота превышаетзначение максимально разовой ПДК при добавлении смеси триэтилбора итриэтилалюминия к керосину, а метаборная кислота превышает значение ПДКпри процентном содержании добавки в керосине приближающемся к 100%.Остальные продукты сгорания находятся в рамках допустимых значений.Также, как и в сопле со степенью расширения ε= 62,76, на выходе былаполучена конденсированная фаза оксида алюминия Al2O3.

Массовая доля оксидаалюминия () в зависимости от концентрации добавки, а также ПДКвещества представлены в Таблице 23.Таблица 23. Конденсированная фаза оксида алюминия.ВеществоКеросин10152025чистыйk*Al2O3-0,002470,003710,004970,00623100%ПДК,добавкимг/л [72]0,0263224.2 Лабораторные исследования по самовоспламенению топливной парыкеросин-ВПВДля выяснения механизма самовоспламенения керосина с добавками с ВПВ вЛаборатории ЖРД МТ каф.202 МАИ были проведены систематическиелабораторныеэкспериментыпосмешению.Смешениеорганизовывалосьвпрыском керосина (1см3) с помощью медицинского шприца в керамическуюкювету с 84,5% ВПВ (2см3). Схема лабораторной установки и результаты97воспламенения в зависимости от концентрации добавки приведены на Рисунках35 и 36.После ряда экспериментов по определению оптимального угла впрыска былорешено зафиксировать угол 45° исходя из особенностей лабораторногооборудования и удовлетворительной площади контакта компонентов.

Опытнымпутем также было установлено, что лучше производить впрыск горючего вокислитель, т.к. керосин с добавкой на открытом воздухе склонен ксамонагреванию.Инжектируемыйкомпонент,уголвпрыскагорючего,температура и давление в помещении были постоянными для всех проводимыхэкспериментов. Изменяемыми параметрами являлись концентрация добавки ккеросину, скорость впрыска горючего, а также температура вводимогокомпонента.Рисунок 35. Схема проведения лабораторных экспериментов.Суммарная концентрация добавки уменьшалась с 20% с шагом в 2% припостоянной температуре до момента исчезновения самовоспламенения. Далеекеросин с концентрацией добавки, не дающей воспламенения, подогревался сшагом в 10°С до возникновения самовоспламенения при впрыске в перекись.98Рисунок 36.

Зависимость содержания ПГ для самовоспламенения топливаот температуры (84,5%Н2О2).Надежное воспламенение при струйном смешении достигалось приконцентрации ПГ в керосине ˃13% (≈15%) в атмосфере воздуха. С ростомтемпературы компонентов минимальная концентрация воспламенения ПГснижалась.Вовремяэкспериментовпроводиласьвысокоскоростнаясъемкасоскоростью 420 кадров в секунду, что позволило определить время началаконтакта компонентов и выявить задержку воспламенения.99Рисунок 37. Задержка самовоспламенения в зависимости от скоростивпрыска горючего для 84,5% H2O2При использовании 93% ВПВ в ряде экспериментов реализовывалосьдетонационное горение, сопровождавшееся сильной ударной волной, приводящейк разрушению лабораторной установки и опасным воздействием на персонал.

Всвязи с этим продолжение экспериментов было перенесено на огневойиспытательныйстендсавтоматизированнойвытеснительнойподачейкомпонентов. Принципиальная схема испытательной установки представлена наРисунке 38.100Рисунок 38. ПГС рабочего участка стенда для исследованиясамовоспламененияРабочий участок стенда позволял организовывать как внедрение керосиновойструи в жидкую ВПВ, так и встречу распыленных в центробежных форсункахкомпонентов. Кроме того, для выяснения физической картины воспламенениераспыленных компонентов организовывалось в инертной газовой среде, в средегазообразного кислорода и вакууме. Процесс смешения и воспламененияфиксировался на кинокамере.Как показали эксперименты, при одной о той же концентрации ПГ вкеросине (15%) в инертной среде азота воспламенение не происходит, вкислородной среде реализуется надежное воспламенение.

При распыливаниикомпонентовцентробежнымифорсункамиудалосьполучитьнадежноевоспламенение на воздухе с 12% добавки ПГ, а в кислородной среде - при 9%добавки ПГ в керосине.1014.3 Результаты огневых испытаний РД МТ на самовоспламеняющихсяэкологически чистых компонентахОдним из преимуществ исследуемой топливной пары керосин-ВПВ, какотмечалось выше, является то, что для воспламенения топлива не требуетсядополнительных систем электроискрового, каталитического или другого видазажигания.Воспламенение произойдет при контакте, только лишь за счетхимического взаимодействия компонентов.Используясходствокомпозициикеросин-ВПВсАТ-НДМГкаксамовоспламеняющихся для исследовательских целей не изготавливалосьотдельного двигателя, а был взят готовый образец действующего ЖРД МТ натоксичных компонентах.

Двигатель разработки ТМКБ "Союз" МДТО-123 тягой50Н и суммарным расходом 18г/с предназначен для ориентации, стабилизации исоздания осевой перегрузки космических аппаратов. Чертеж двигателя и внешнийвид представлены на Рисунках 39, 40.Рисунок 39. РД МТ 123; 1 – периферийные форсунки горючего; 2 –центральная форсунка окислителя.102Рисунок 40. Внешний вид двигателя в сборе - 1; смесительной головки - 2.Первым этапом исследования воспламенения на смесительной головке былопроведение огневого эксперимента на цилиндрической камере сгорания безкритического сечения.

Эксперимент проводился только в атмосфере воздуха, безсоздания дополнительной инертной или окислительной среды. Результатывоспламенения сведены в Таблицу 24.Таблица 24. Результаты воспламенения на цилиндрической КС безкритического сечения.№КонцентрацияДавлениеРасход Расход kmвоспламенензапускаПГ внаддува,О, г/сГ, г/сиекеросине, %атм.11523,692,71,366-21534,53,151,43+31534,53,151,43+41555,674,161,362-Отсутствие надежного воспламенения объясняется тем, что не быловыдержано стехиометрическое соотношение компонентов, которое оказываетсущественное влияние на воспламенение. Сделать этого не удалось потехническим причинам из-за ПГС стенда, которая впоследствии была изменена. Всхеме вытеснительной подачи стенда отсутствовала возможность отдельногорегулирования наддува окислителя и горючего, а также заправки большегоколичества компонентов (заправочные емкости составляли по 10 мл).103Второй этап заключался в проведении экспериментов на камере сгорания скритическим сечением.

Аналогично лабораторным экспериментам, запуски надвигателе осуществлялись в различных средах: инертной (азотной), атмосферевоздуха, окислительной среде. Необходимая среда создавалась непосредственно вКС подводом через штуцер азота или кислорода. Фиксируемыми параметрами вовремязапусковявлялисьдавлениянаддувакомпонентовиналичиевоспламенения.Таблица 25. Результаты воспламенения Керосин+Н2О2 на двигателе скритическим сечением.№КонцентраДавлениеДавлениезапускация ПГ внаддуванаддувакеросине,О, атм.Г, атм.Средавоспламенение%11523азот-21533воздух-31533кислород+По результатам опытов воспламенение керосина с добавкой ПГ былополучено только в окислительной среде.

Возможными причинами отсутствиявоспламенения является:1. Инертная среда. При смешении компонентов выделяется недостаточноеколичество энергии для воспламенения из-за недостатка окислителя. Выходомявляется создание дополнительной окислительной среды либо увеличениесодержания добавки ПГ в горючем;2. Смесительные элементы двигателя. Для используемой материальной частиотсутствиевоспламененияможнообъяснитьнеподходящейгеометриейсмесительной головки двигателя.

Для исследуемых компонентов топливацелесообразноспроектироватьиндивидуальныйсмесительныйэлемент.Учитывая особенности компонентов, а именно перекиси водорода, какокислителя, таким элементом может быть форсунка внутреннего смешения для104увеличения времени контакта компонентов и более полного разложения перекисидля выделения большего количества активного кислорода, участвующего вреакции.3.