Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 3

ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРИСАДОК КГОРЮЧЕМУ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ1.1 Использование растворов высокомолекулярных полимеров дляповышения энергетической эффективности ЖРДМодернизация ЖРД чаще всего направлена на повышение удельногоимпульса тяги или на форсирование двигателя по тяге, что позволяет увеличитьмассу выводимого ПГ.

Повышение удельного импульса обеспечиваетсяорганизацией более совершенного рабочего процесса в камере и применениемкомпонентов топлива, имеющих большую теплопроизводительность. В качествепримера можно привести кислородно-керосиновые двигатели 14Д21, 14Д22(модернизация двигателей 11Д511, 11Д512) для блоков А – Д РН серии «Союз»,в которых новая смесительная головка с однокомпонентными форсунками засчет улучшения смесеобразования в КС позволила повысить удельный импульстяги на 4,6 и 6,2 с соответственно [37]. Использование нового синтетическогоуглеводородного горючего «синтин» в двигателе 11Д511ПФ (модернизация11Д511) повысила удельный импульс тяги на 6,5 с.

Форсирование ЖРД по тягедостигается увеличением давления в КС и секундного расхода топлива черезкамеру [3]. Типичным примером модернизации ЖРД в этом направленииявляетсяфорсированиедвигателяпервойступениРН«Протон»навысококипящих компонентах топлива АТ и НДМГ [30,37]. В исходном вариантеэтот двигатель (РД253, 1965 г) имел давление в КС pк = 150 кгс/см2. С цельюувеличения массы ПГ, на базе двигателя РД253 был создан двигатель РД275(14Д14), у которого давление в КС составило pк = 160,5 кгс/см2, что позволилоповысить тягу на 7,7 %. Применение двигателя РД275 в РН «Протон» увеличиломассу ПГ, выводимого на низкую околоземную орбиту (НОО) на 600 кг.

В своюочередь форсирование по тяге двигателя РД275, который получил индекс РД276(14Д14М), на 5,3 % вследствие повышения давления в КС до pк = 168,5 кгс/см2позволило увеличить массу ПГ, выводимого на геостационарную орбиту (ГСО)на 150 кг. При форсировании ЖРД по тяге возрастают потребные давленияподачи компонентов топлива и окружные скорости ротора ТНА.

Для увеличения13мощности турбины ТНА приходится повышать температуру генераторного газана входе в турбину и(или) перепад давления на турбине в двигателях сдожиганием, а в двигателях «открытой схемы» повышать либо температуру,либо расход генераторного газа через турбину. Таким образом, повышаетсяэнергонапряженность агрегатов системы подачи двигателя, в первую очередьТНА и газогенератора.

За все время существования ракетно-космическойтехники, в результате непрерывного ее развития, характеристики и параметрыагрегатов системы подачи приблизились к предельно высокому уровню.Чрезмерныйростэнергонапряженностиприводиткнедопустимымдинамическим нагрузкам элементов конструкции двигателя (следовательно,повышение уровня вибраций и снижение усталостной прочности), снижениюстойкости к возгоранию в газовых трактах и к появлению других трудностей.Поэтому прогресс в области ракетного двигателестроения одновременно идет вдвух противоположных направлениях. Вместе с непрерывным ростом тяги ЖРДпроводятся научно-конструкторские мероприятия, направленные на повышениеэнергетической эффективности ЖРД, то есть на поиск и реализацию тех«внутренних резервов», которые позволят сохранить в допустимых пределахвышеупомянутые параметры двигателя, определяющие его работоспособность.Основным объектом, на который направлены эти мероприятия, является ТНА,так как именно на этот агрегат приходится по разным источникам от 50 до 70 %отказов и аварий при отработке двигателя [34,35].

В отраслевых научныхпубликацияхимеетсясформулированыдостаточно подробныйнаправлениядальнейшегоанализэтойповышенияситуациииэнергетическойэффективности ЖРД. Одним из этих направлений является снижениеэнергонапряженностиагрегатовсистемыподачизасчетулучшенияэкономичности турбонасосных агрегатов и кавитационных характеристикнасосов подачи топлива. Однако запас технических мероприятий в этихнаправлениях практически иссяк. Достигнутый к настоящему времени уровенькпд в насосах агрегатов подачи ЖРД достаточно высок. Что касается повышенияантикавитационных качеств, то в одних случаях это приводит к уменьшению кпд14и увеличению массы насосов; в других же случаях требуется усложнениеконструкции насосного агрегата и даже всей системы подачи, что тоже можетприводить к увеличению массы.

Дальнейшее улучшение экономичности икавитационных характеристик насосов системы подачи представляет весьматрудоемкую и затратоемкую задачу, требующую применения сложных расчетовтрехмерных потоков жидкости и последующей экспериментальной отработкиузлов и агрегатов на модельных и натурных установках.Выходомизсложившейсяситуацииможетбытьприменениемодернизированного горючего на основе керосина с добавкой полимера.Использование высокомолекулярных полимеров в качестве агентов,снижающих гидравлическое сопротивление, берет свое начало еще с серединыпрошлого столетия. В 1948 г. английский химик Б.Томс установил, что притечении разбавленного раствора полиметилметакрилата в монохлорбензолетрение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается[9].

Открытие этого эффекта дало импульс для исследований в областигидродинамики и реологии разбавленных растворов полимеров. К настоящемувремени найдено и изучено большое количество присадок высокомолекулярныхполимеров (ВМП), снижающих гидравлическое сопротивление в турбулентномпотоке жидкостей различного рода, применение которых позволяет решатьмножество проблем, связанных с энергосбережением.Практически все полимеры, обладающие нужной растворимостью идостаточно высокой молекулярной массой (более 2*106) способны снижатьгидравлическое сопротивление. К настоящему времени накоплен большойопытный материал по исследованию водных растворов таких полимеров какполиэтиленоксид(ПЭО)иполиакриламид(ПАА).Из-запростотыихиспользования, а также высокой гидродинамической эффективности, этиполимеры нашли широкое практическое применение в разных отрасляхпромышленности.

В работе [10] представлена возможность использованияэффекта Томса для снижения гидродинамических шумов и уменьшениялобовогосопротивлениядвижениюподводныхинадводныхобъектов.15Использование полимерной присадки в воде при тушении пожаров делает струюболее устойчивой к разрушению и увеличивают ее дальнобойность [11].Водорастворимые полимеры также применяются при разрушении горных пород[12,13] и для гидравлического размыва донных отложений в нефтяныхрезервуарах [14].В медицине давно обратили внимание на сходство реологических свойствкрови и разбавленных растворов полимеров. Опыты на экспериментальныхживотных показали, что при внутривенном введении растворов синтетическогополиэтиленоксида марки WSR-301 уменьшается артериальное давление иувеличивается минутный объем кровообращения без увеличения частотысердцебиения [16,17].Не меньший интерес представляют собой полимеры, растворимые вуглеводородных жидкостях.

В последние десятилетия их активно изучают, и онивсе больше находят применение у нефтеперекачивающих компаний, т.к. ихиспользование позволяет достичь ощутимого снижения энергозатрат натранспорт нефти [18-20].Еще в 1967 - 1969 гг. отечественные исследователи, а также ученые другихстран показали высокую эффективность высокомолекулярного полиизобутилена(ПИБ) в качестве агента, снижающего сопротивление при течении нефти инефтепродуктов. Добавление небольшого количества (0,01 до 0,05% (масс.))этого полимера турбулентное трение снижалось на 40 - 70% [19]. Это позволяетувеличитьпропускнуюспособностьмагистральныхтрубопроводовбезизменения рабочего давления на перекачивающих насосных станциях или жепонизить рабочее давление, сохраняя заданный расход.Компания«ConoсoPhillips»,эксплуатирующаяТрансаляскинскиймагистральный нефтепровод в 1979 году применила полимерную присадку CDR101 [21], впрыскивание которой привело к увеличению суточной пропускнойспособности нефтепровода и позволило сократить число насосных станций спроектных 12 до 11.

В дальнейшем была разработана новая антитурбулентнаяприсадка (АТП) CDR-102, использование которой на нефтепроводе в штате16Техас позволило получить 20%-е снижение гидродинамического сопротивления.В настоящее время почти четверть всей сырой нефти, перекачиваемой потрубопроводам США, содержат АТП, а география их применения включаеттакже нефтеперерабатывающие регионы Мексики, Венесуэлы, Норвегии истраны Ближнего Востока [22,23].В нашей стране впервые АТП была применена в 1991 году намагистральном трубопроводе Александровское - Анжеро-Судженск [24,25].Добавка ВИОЛ, представляла собой 10%-й раствор высших сополимеров αолефинов в гептане.

Эффект снижения гидродинамического сопротивления отиспользования присадки составил 21%, при содержании полимера в потоке всего40г/м3.Прииспользованиитойжеприсадки,полученнойпоусовершенствованной технологии, на нефтепроводе Тихорецк - Новороссийск в1993 году, сопротивление было снижено на 23% при концентрации полимера 7г/м3 [26,27]. Это показало, что отечественная антитурбулентная присадка ВИОЛне уступает зарубежным аналогам. К достоинствам этой присадки также следуетотнести отсутствие негативных последствий на процессы нефтепереработки приее использовании в концентрации не превышающей 100 г/м3.