автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Экспериментальные и расчетные исследования процессов в источниках рабочего тела импульсных МГД-генераторов

ОРДЕНА ЛЕНИН А И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ДВОЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ "СОЮЗ"

На правах рукописи

Новиков Виктор Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ИСТОЧНИКАХ РАБОЧЕГО ТЕЛА ИМПУЛЬСНЫХ МГД-ГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.14.08 - Преобразование возобновляемых видов энергии, установки и комплексы на их основе

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/X

ДЗЕРЖИНСКИЙ 1998

Работа выполнена в Федеральном центре двойных технологий "Союз" Министерства экономики Российской Федерации.

Научные руководители: доктор технических наук Бабаков Ю.П.

кандидат технических наук Милехин Ю.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Милицын Ю.А.

доктор физико-математических наук Панченко В.П.

Ведущая организация: АО "Нижегородский машиностроительный завод"

Защита состоится 1998 г. ъ// ч. -^°мин. на заседании

диссертационного совета ССК 105.19.02 Федерального центра двойных технологий "Союз" по адресу: 140056, Московская обл., г .Дзержинский, ул. Советская, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального центра двойных технологий "Союз" (140056, Московская обл., г. Дзержинский, ул. Советская, д.6).

Автореферат разослан "¿У 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Быкова К. А.

© Объединенный институт высоких температур РАН, 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Созданные в нашей стране твердотопливные самовозбуждающиеся импульсные магнитогазодинамические генераторы (МГДГ) продемонстрировали высокую эффективность при проведении электрического глубинного зондирования земной коры для решения научных, прогностических и поисковых задач в геологии и геофизике, что обусловлено высокой плотностью запасаемой энергии, компактностью, автономностью и достаточной простотой эксплуатации в различных климатических условиях. Однако широкое внедрение импульсных МГДГ в практику геофизических исследований и геологических поисковых работ в настоящее время сдерживается довольно высокой стоимостью пуска МГД-установки, что обусловлено использованием дорогостоящих расходных комплектующих элементов: генератора плазмы (ГП) и МГД-канала. При этом доля плазмообра-зующего топлива в стоимости пуска может составлять до 30 %. В этой связи весьма актуальными являются исследования по совершенствованию источников рабочего тела МГДГ - генераторов плазмы как в части повышения эффективности использования существующих твердых плазмообразующих теплив (ТПТ), так и в создании новых перспективных топливных композиций и конструкций ГП с целью обеспечения повышения удельных энергетических характеристик импульсных геофизических МГД-установок.

Целью настоящей работы является разработка практических рекомендаций по повышению удельных энергетических параметров импульсных МГД-генераторов за счет совершенствования источника рабочего тела - генератора плазмы в части его конструктивной схемы, рабочих параметров и состава плазмообразующего топлива на основе экспериментальных и расчетных исследований процессов, протекающих в камерах сгорания источников рабочего тела, как в традиционных пороховых генераторах плазмы, так и в комбинированных источниках рабочего тела на твёрдом горючем и газооб-

разном окислителе, а также источниках рабочего тела на порошкообразном горючем, сжигаемом в газообразном кислороде.

Научная новизна заключается в следующем:

- определены основные закономерности выгорания агломератов металла вблизи поверхности горения твердых плазмообразующих топлив (ТПТ) и в объеме камеры сгорания ГП, а также коэффициент аэродинамического сопротивления горящих металлических частиц в продуктах сгорания ТПТ;

- проведены экспериментальные исследования поведения легкоионизи-рующейся присадки в волне горения ТПТ и в объеме камеры сгорания генератора плазмы и установлены явления агломерации ионизирующейся присадки и ее диспергирования с горящей поверхности ТПТ;

- на основе выполненных экспериментальных исследований процесса горения ТПТ уточнены физическая и математическая модели поведения дисперсных компонент ТПТ в ГП, с использованием которых разработаны рекомендации по модернизации состава ТПТ и изменению рабочих параметров ГП с целью снижения потерь электропроводности продуктов сгорания;

- проведены экспериментальные исследования использования воздуха в качестве дополнительного окислителя для ТПТ, в которых показана возможность снижения стоимости пуска импульсного МГД-генератора за счет использования дешевого окислителя при одновременном повышении подвижности электронов в продуктах сгорания ~ в 2 раза;

- проведены экспериментальные исследования использования продуктов горения пиротехнического состава в качестве дополнительного окислителя для ТПТ, в которых показано, что наряду с сохранением всех преимуществ твердотопливного ГП использование схемы раздельного снаряжения позволяет повысить удельные энергетические параметры импульсного МГД-генератора на 46 %;

- на основе проведенных лабораторных экспериментальных исследований горения компонентов углеродного металлизированного порошкообраз-

ного топлива с размером частиц до 300 мкм в кислороде при давлении 6 МПа разработана математическая модель ГП на порошкообразном горючем, проведены численные исследования эволюции полидисперсных ансамблей частиц углеродного и металлического горючего и испарения легкоионизи-рующейся присадки в камере сгорания ГП и разработаны рекомендации по дисперсности исходных порошков, длине камеры сгорания ГП и составу порошкообразной топливной композиции для обеспечения полной реализации проектных электрофизических характеристик продуктов сгорания.

Практическая ценность работы заключается в разработке практических рекомендаций по выбору давления в твердотопливных ГП, зависящего от содержания металлического горючего в ТПТ, по конструктивной схеме комбинированных ГП, по составу порошкообразного углеводородного плаз-мообразующего топлива, использование которых в перспективных разработках обеспечит полноту реализации проектных электрофизических характеристик продуктов сгорания и повышение удельных энергетических параметров импульсных МГД-генераторов.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях: на Всесоюзной конференции по применению аппаратов порошковой технологии и процессов термосинтеза в народном хозяйстве (Томск, 1987г.), на 3-м Всесоюзном совещании по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой (Одесса, 1988 г), на 11-м, 12-м, 14-м Всесоюзных семинарах по электрофизике горения (Караганда, Челябинск, 1988, 1989, 1991 г.г.), на 9-м Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989г.), на 10-й (Индия, 1989г.) и 11-й (Китай, 1992г.) международных конференциях по МГД- преобразованию энергии, на первом Азиатско-Тихоокеанском международном симпозиуме по горению и использованию энергии (Китай, 1990 г.), на 13-м Международном коллоквиуме по динамике взрыва и реагирующих систем (Япония, 1991 г.), на Международной конференции по преобразованию энергии в

г

магнитогидродинамических потоках (Франция, 1991 г.), на 20-й Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Италия, 1991 г.), на Втором международном симпозиуме по пиротехнике и взрывчатым веществам, объединенным с 17-м международным пиротехническим семинаром (Китай, 1991 г.), на 30-м, 32-м и 33-м (США, 1992, 1994, 1995 г.г.) симпозиумах по инженерным аспектам магнитной гидродинамики, на 17-м Симпозиуме по эффективному использованию и прямому преобразованию энергии (Япония, 1995 г.), на 20 Международной конференции по преобразованию энергии (Япония, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах и 26 статей в сборниках трудов научных конференций и симпозиумов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 74 рисунка, 15 таблиц, и список цитируемой литературы, насчитывающий 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрено состояние исследований по повышению удельных энергетических характеристик импульсных МГД-установок и определены основные направления исследований по совершенствованию источников рабочего тела - генераторов плазмы как в части повышения степени реализации удельной электропроводности продуктов сгорания ТПТ в твердотопливных ГП, так и за счет создания комбинированных ГП и ГП на порошкообразном топливе, обеспечивающих более высокие по сравнению с 1111 электрофизические параметры рабочего тела импульсных МГД-генераторов.

В главе 1 рассмотрены вопросы совершенствования источников рабочего тела на ТПТ. Определены основные задачи, которые направлены на

снижение энергетических потерь в камере сгорания твердотопливных ГП и повышение скорости истечения продуктов сгорания, а также область исследований в части ТПТ и ГП. Исследования проведены на баллиститных ТПТ типа БП-10 и СПК и смесевых ТПТ (СПТ) с содержанием металлического горючего (МГ) 22-27% и легкоионизирующейся присадки (ИП) (Сз>Юз, КЫ03) 10-14% как в лабораторных установках (отбор и "замораживание" конденсированных продуктов сгорания (КПС) с последующим дисперсионным и химическим анализом, скоростная киносъемка горящих образцов ТПТ, исследование на РЭМ поверхности образца ТПТ, погашенного сбросом давления или на теплоотводящей пластине, исследование электропроводности продуктов сгорания вблизи горящей поверхности ТПТ), так и в модельной камере сгорания ГП-1-4 (расход продуктов сгорания т( ~ 1 кг/с) и в штатном генераторе плазмы ГП-77 (гп1 ~ 20 - 30 кг/с) в автономных и комплексных МГД-экспериментах. Представлены результаты экспериментальных исследований процесса горения ТПТ, которые позволяют уточнить физическую модель поведения дисперсных компонентов в волне горения ТПТ для математического моделирования процессов в ГП, и разработать рекомендации по модернизации состава ТПТ и изменению рабочих параметров ГП с целью снижения потерь удельной электропроводности продуктов сгорания. Эксперименты по исследованию поведения МГ в волне горения ТПТ выполнены на лабораторной установке отбора и "замораживания" КПС ТПТ, которая создана в ФЦЦТ "Союз" и прошла отработку на различных топливных составах (Рис. 1).

^РпЯЩШО^ Рис. 1. Схема отбора конденсированных про-

"^"^За^Н-:- дуктов горения ТПТ на удалении от горящей

• , поверхности. 1 - образец исследуемого ТПТ; 2 -

~ ■ безметальный баллиститный порох; 3 - элек-

_;=_-{ трозапал; 4 - направляющая трубка; 5 - фарфо-

ровый стакан; 6 - кювета; 7 - "замораживающая" жидкость (изопропиловый спирт).

И

н

у ; __.....

lgf(d) 2 О -2 -4 -6 -8 -10

100 200 300 400 500 d,

MKM

MKM 250

ч.

ISO 100 50 А

ч 8*р

■ N S-J А.

*кр. %

6 Р„,МПа

Рис.2. Массовые функции распределения по размерам частиц конденсированных продуктов сгорания на удалении от горящей поверхности ТПТ: 1 - СПК-5Ф; 2 -БП-10; 3 - СПТ-1.

Рис.3. Характеристики конденсированных продуктов сгорания, "замороженных" и отобранных на расстоянии 20 мм от горящей поверхности ТПТ СПТ-1 в зависимости от давления сжигания образца ТПТ.

Подтверждено, что по аналогии с процессом горения металлизированных ракетных твердых топлив на поверхности ТПТ происходит интенсивная агломерация МГ, для различных ТПТ определены функции распределения агломератов по размерам и их зависимость от давления сжигания образца ТПТ. Показано, что с ростом давления сжигания ТПТ размер агломератов снижается примерно в обратной пропорциональности; размер агломератов металлического горючего для смесевого топлива СПТ-1 в несколько раз превышает размер агломератов для баллиститных топлив типа БП и СПК, однако доля их в КПС менее 0,1 % масс.; размер агломератов для ТПТ БП-10Ф, содержащего присадку, препятствующую агломерации металла на горящей поверхности, примерно в 5 раз меньше, чем для аналогичного ТПТ БП-10, не содержащего специальных добавок; для всех исследуемых ТПТ в функциях распределения частиц, отобранных как непосредственно с поверхности горения ТПТ, так и на удалении от неё, отмечается наличие двух мод, кривые распределения для различных ТПТ идентичны, что подтверждает общие закономерности горения металла в их продуктах сгорания; с ростом давления

2

4

сжигания ТПТ в диапазоне от 2 до 4 МПа в конденсированных продуктах горения резко снижается количество крупных частиц и содержание неокислен-ного металла; при дальнейшем повышении давления эти зависимости становятся более плавными и в диапазоне давлений от 6 до 8 МПа содержание активного металла практически не меняется и находится на уровне 0,3 - 0,4 % масс. Аналогичные результаты получены при проведении экспериментов на установке отбора и замораживания КПС твердого топлива, разработанной в ИХКиГ СО РАН, что свидетельствует о представительности полученных результатов. На основе обработки кинограмм перемещения горящих агломератов вблизи поверхности горения ТПТ на расстоянии 5-10 мм определен коэффициент аэродинамического сопротивления горящих металлических частиц в продуктах сгорания ТПТ. Показано, что вблизи горящей поверхности для продуктов сгорания ТПТ с удельной электропроводностью 5-6 См/м в диапазоне чисел 11е = 0,3 - 3,0 величина коэффициента аэродинамического сопротивления горящих частиц алюминия описывается выражением 87,76/Ке0,2б:\ что в 2 - 5 раз превышает значения, полученные для пламён ТРТ. Установленный эффект является весьма существенным при разработке модели двухфазного течения в канале заряда ТПТ.

В лабораторных экспериментах по исследованию погашенной поверхности ТПТ, а также по измерению электропроводности продуктов сгорания ТПТ вблизи горящей поверхности установлено, что наряду с укрупнением исходных частиц металлического горючего на поверхности ТПТ происходит процесс агломерации легкоионизирующейся присадки (нитратов цезия или калия). Агломераты легкоионизирующейся присадки частично (от 5 до 20 % масс.) испаряются на горящей поверхности ТПТ, остальная масса присадки в виде капель диспергирует в объём камеры сгорания генератора плазмы и её испарение может завершаться на значительном удалении от горящей поверхности, либо вообще не завершаться в генераторе плазмы, что приводит к специфическому виду потерь удельной электропроводности продуктов сго-

рания ТПТ. Результаты исследований поведения ионизирующейся присадки при горении ТПТ, полученные на модельных образцах топлив, подтверждены в автономных огневых испытаниях модельных генераторов плазмы ГП-1-4. Особенности процессов в камере сгорания генератора плазмы, их ведущие стадии и взаимные связи, выявленные при проведении экспериментальных и численных исследований, позволили существенно упростить математическую модель процессов в камере сгорания ГП и разработать инженерную методику, позволяющую проводить достоверные оценки параметров потока в камере сгорания, прогнозировать характеристики продуктов сгорания ТПТ,

а также путём параметрических численных исследований проводить оптимизацию камеры сгорания и ТПТ с целью реализации расчётных термодинамических и электрофизических характеристик продуктов сгорания ТПТ. В результате численных исследований доказано предположение о взаимосвязанности процессов горения металла и испарения присадки и показано, что только их совместный учёт в расчётах может дать результат, адекватный эксперименту. Показано, что повышение энергетических характеристик продуктов сгорания ТПТ за счёт увеличения содержания металлического горючего в ТПТ целесообразно лишь при использовании специальных мер по снижению агломерации металла на горящей поверхности ТПТ (Рис.4). В результате проведённых численных исследований выявлен рост удельной электропроводности продуктов сгорания при работе генератора плазмы, а также её неоднородность на входе в сопловой блок, что необходимо учитывать" в расчётных исследованиях течений в МГД-канале.

Полученные результаты лабораторных экспериментальных исследова-

Рис.4. Зависимость среднего радиуса агломератов металла г2° и степени реализации удельной электропроводности продуктов сгорания Кп от массовой доли МГ в ТПТ gмr.

ний и численного анализа горения ТПТ подтверждены в комплексных МГД-экспериментах на установке ИМ-1 с генератором плазмы ГП-77 с расходом продуктов сгорания 20-30 кг/с. По выходным энергетическим параметрам МГД-генератора определена степень реализации проектной удельной электропроводности продуктов сгорания Ка, и получена ее зависимость от двух контролируемых параметров ТПТ и ГП: массового содержания металла в ТПТ §мг и давления в камере сгорания ГП Рк, которая имеет следующий вид: Ка = 3,68 - 0,15 емг + Рк (0,021 - 0,37). Данная зависимость использована для разработки рекомендаций по рабочему давлению в ГП, при котором на горящей поверхности ТПТ снижаются агломерационные процессы, повышается полнота сгорания МГ и, соответственно, степень реализации проектной электропроводности продуктов сгорания. Давление, при котором обеспечивается полное сгорание МГ, для топлив с различным содержанием металла, определяется из следующего выражения: Рк*> (139,3 - 7,22 ёмг)/(19 - ёмг). (Рис.5).

В главе 2 рассмотрена возможность повышения удельного энергосъема в импульсных МГД-генераторах за счет использования комбинированных источников рабочего тела. Рассматривалась конструктивная схема генератора плазмы с использованием порохового заряда и вдува дополнительного окислителя в камеру сгорания. Проведены термодинамические расчеты с целью выявления основных возможных дополнительных окислителей для комбинированной схемы источника рабочего тела импульсных МГДГ. В качестве доступных окислителей выбраны воздух и пиротехнический источник горячего кислорода.

Р.. МПа

1 ёлГ»

/

/

20

22 24 26 ё^А

Рис.5. Определение области использования металлизированных ТПТ по давлению Рк для достижения К0 = 1. -содержание активного МГ в конденсированных продуктах сгорания.

Представлены результаты экспериментальных исследований использования воздуха в качестве дополнительного окислителя для твердого порохового плазмообразующего топлива. Результаты, полученные на модельном генераторе плазмы ГП-ЗВД (Рис.6, 7) с расходом продуктов сгорания ТПТ+воздух ~ Зкг/с, удовлетворительно согласуются с расчетом (Рис.8) и подтверждают перспективность данного направления. Экспериментально показана возможность снижения стоимости пуска на 25 - 30 % за счёт использования дешёвого окислителя - воздуха с одновременным повышением подвижности электронов в плазме ~ в 2 раза, что позволяет снизить массу магнитной системы диагональных геофизических МГД-установок на 35 -45%.

Рис.6. Модельный комбинированный генератор плазмы ГП-ЗВД. 1 -заряд ГШ, 2 - корпус ГП, 3 - пусковая камера, 4 - штанга подачи воздуха с форсуночной головкой, 5 - камера дожигания, 6 - сопло.

Рис.7. Экспериментальная установка. 1 - ГП-ЗВД, 2 - подвод воздуха от компрессора, 3 - баллон сжатого воздуха, 4 - обратный клапан, 5 -электромагнитный клапан привода отсечного клапана 6, 7 - расходное сопло, 8 - диагностический МГД-канал.

ст.

Си/и

40 30 20 10 0

V -

Ч Р п

_____ А

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4

Рк,

МПа

6,0 4,5 3,0 1.5 0,0 0,5 V

Рис.8. Результаты автономных экспериментальных исследований ГП-ЗВД. Рк -

давление в камере сгорания: ------ -

расчёт, • - эксперимент; ст, - удельная

электропроводность в ядре потока:-

- расчёт, □ - эксперимент; ст„ - интегральная электропроводность продуктов сгорания:------расчёт, А - эксперимент.

Представлены результаты экспериментальных исследований возможности повышения удельных энергетических параметров импульсных МГД-генераторов за счет применения пиротехнических кислородгенерирующих составов. При разработке модельного генератора плазмы раздельного снаряжения (Рис.7) решены следующие вопросы: организация процесса воспламенения заряда КГС, поскольку температура воспламенения КГС примерно в 3 раза выше, чем для штатных ТПТ; выбор и отработка конструкции генератора плазмы, элементы которого подвергаются воздействию высокотемпературной агрессивной среды; предохранение от выброса в МГД-канал конденсированной фазы, образующейся при горении КГС (свыше 60 % от массы заряда); организация процесса дожигания смеси продуктов горения комбинации ТПТ + КГС с целью обеспечения расчётных электрофизических характеристик рабочего тела МГД-генератора.

Рис.9. Модельный ГП раздельного снаря-

I 2 3 4 3 « 7 Я н .,

жения с источником горячего кислорода АИГК. 1 - пусковая камера; 2 - корпус АИГК; 3 - заряд КГС; 4 - промежуточное сопло; 5 - основная КС; 6 - заряд ТПТ; 7 -камера дожигания; 8 - сопловой блок.

Экспериментально показано, что наряду с сохранением всех преимуществ твердотопливного генератора плазмы использование схемы раздельного снаряжения позволяет повысить удельные энергетические параметры импульсного МГДГ на 46 % (Табл.1).

Таблица 1. Результаты экспериментов на МГДУ "Зонд-1" (В = 1,3 Т, 11„=1,2 Ом) при использовании различных плазмообразующих топлив.

Плазмообразующее топливо БП-10 СПК-10Ф ТПТ+КГС

Ток в нагрузке 1„, А 560-630 530 652

Напряжение на нагрузке У„, В 672 - 756 636 760

Генерируемая мощность И, кВт 346 - 476 337 496

Расход продуктов сгорания ткгс, кг/с 3,0 2,06 2,06

Удельная мощность Муд, кг/с 0,16 0,164 0,24

В главе 3 представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований по созданию источников рабочего тела импульсных МГДГ на порошкообразном углеродном топливе, сжигаемом в газообразном кислороде.

Исследования ГП на порошкообразном углеродном топливе проведены в направлении повышения полноты сгорания компонентов топлива и достижения проектных электрофизических параметров рабочего тела МГДГ, поскольку в экспериментальных работах, выполненных в ТРИНИТИ, по исследованию процессов в камере сгорания ГП на порошкообразном топливе было показано, что потери удельной электропроводности вследствие неполноты сгорания топлива могут достигать 50 %. В данных исследованиях использован опыт и методология работ по изучению процессов горения ТПТ, обеспечившие представительность экспериментальных результатов и подтвержденные в МГД-экспериментах на модельных и полномасштабных импульсных МГД-генераторах.

Проведены лабораторные экспериментальные исследования горения компонентов порошкообразного топлива (углерода и алюминия) в кислороде при давлении 6,0 МПа и подтверждены закономерности выгорания частиц, полученные другими авторами при других условиях сжигания по давлению, окислительному потенциалу несущей среды и размеру частиц.

Для проведения параметрических численных исследований процессов в ГП на порошкообразном топливе и разработке рекомендаций по оптимальным размерам камеры сгорания и размерам частиц топлива, обеспечивающих полноту сгорания в ГП, создана математическая модель течения многофазного химически реагирующего потока в камере сгорания. Задача о течении продуктов сгорания в ГП решена в одномерной постановке с учетом изменения химического состава газовой смеси химически активных веществ и эволюции размеров частиц углеродного горючего, алюминия, ионизирующейся присадки и образующейся окиси алюминия за счет горения, испаре-

ния и конденсации. Взаимодействие газовой и конденсированной фаз определяется вязкостью и теплопроводностью несущей среды. Численные параметрические исследования показали, что для достижения полного сгорания в ГП углеродного порошка среднемассовый радиус частиц не должен превышать 4 мкм, а длина камеры сгорания должна быть увеличена на 40 % по сравнению со штатной камерой сгорания стенда "Памир-2Ф". С учетом того, что повышение дисперсности порошка усложняет систему его подачи, а увеличение длины камеры сгорания приведет к дополнительным тепловым потерям, был проведен поиск других порошкообразных топливных композиций, обеспечивающих полноту сгорания при приемлемых размерах частиц (50-100 мкм) и минимальных размерах камеры сгорания. Выполненные термодинамические расчеты показали, что совершенствование порошкообразных топливных композиций может быть обеспечено заменой углерода на твердые углеводороды с низкой температурой воспламенения и меньшим временем горения частиц типа СюН8 или С|4Ню, а также использованием в качестве ионизирующейся присадки легко разлагающихся нитратов щелочных металлов. Процессу горения твердых углеводородов предшествует их термическое разложение с образованием газообразных и ультрадисперсных конденсированных продуктов, что позволяет практически полностью реализовать их энергетические возможности в камерах сгорания реальных ГП с временем пребывания до 20 мс (Рис.10).

На основе проведенных термодинамических расчетов разработана топливная порошкообразная композиция, приведенная в Табл.2.

.._

Рис.10. Зависимость времени полного сгорания или испарения I от размера частиц.

О 20 40 60 80 г, «.и

Таблица 2.

Рецептура порошкообразного состава 62-19-1.

Компоненты Массовое содержание, %

Нафталин СюН8 81,5

Калий азотнокислый 6,0

Алюминиевая пудра ПП-1 10,0

Коллоидно-графитовый препарат марки С-0 2,5

Подтверждение полученных расчётных и лабораторных результатов по созданию порошкообразного плазмообразующего топлива на основе твёрдого углеводорода было проведено на штатном генераторе плазмы ЭГ-75А для экспериментального стенда "Памир-2Ф" (Рис.12). Результаты измерений удельной электропроводности продуктов сгорания в диагностическом МГД-канале ИМ-112-5Т удовлетворительно согласуются с расчётом, проведённым в предположении полного завершения всех химических реакций в камере сгорания генератора плазмы (Рис. 11).

Рис.11. Зависимость электропроводности ст продуктов сгорания порошкообразного топлива от коэффициента избытка окислителя а (1 - С+02, 2 - С10Н8+О2). * - эксперимент на натурной камере сгорания ЭГ-75А.

Рис.12. Натурный генератор плазмы ЭГ-75А для импульсной МГД-установки "Па-мир-2Ф". 1 - смесительная головка с форсунками; 2 - камера сгорания; 3 - сопло; 4 - скрепляющие полукольца; 5 - пусковые камеры; 6 - теплозащитное покрытие; 7 - графитовая облицовка

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Определены особенности поведения дисперсных компонент твёрдого плазмообразующего топлива (металлического горючего и легкоионизи-рующейся присадки) в волне горения и определены критерии выбора рабочих параметров твердотопливного генератора плазмы, обеспечивающих полноту реализации проектных электрофизических характеристик продуктов сгорания.

2) Разработана инженерная методика расчета испарения и выгорания дисперсных компонент ТГГГ в камере сгорания твердотопливного генератора плазмы, позволяющая методом вычислительного эксперимента прогнозировать параметры продуктов сгорания на входе в сопло генератора плазмы.

3) Разработана и экспериментально обоснована концепция создания комбинированного генератора плазмы с использованием воздуха в качестве дополнительного окислителя, что обеспечивает снижение стоимости плазмообразующего топлива на 25 - 30 %.

4) Разработана и экспериментально обоснована концепция создания генератора плазмы раздельного снаряжения с использованием пиротехнического кислородгенерирующего состава, обеспечивающего повышение удельного энергосъёма импульсного МГД-генератора на 40 - 45 %.

5) На основе выполненного комплекса экспериментальных и численных исследований процесса горения компонент порошкообразного плазмообразующего топлива разработана топливная композиция на основе твёрдых углеводородов типа СюНя, обеспечивающая полноту реализации проектных электрофизических параметров продуктов сгорания.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Ю.П.Бабаков, В.В.Бритарев, В.С.Еременко, Б.П.Жуков, Р.К.Кузьмин, Ю.М.Милехин, В.А.Новиков, В.А.Поляков. Твердотопливные МГД-генераторы для геофизических исследований: состояние и перспективы развития.//Конверсия, №8, 1997, С.17-22.

2. V.A. Zeigarnik, N.L. Aitov, V.A. Novikov, V.I. Okunev, V.Yu. Rickman. Overview of IVTAN's Activity in the Field of Pulsed MHD Power Generation.//Proc. of 32nd SEAM, June 27-30, 1994, Pittsburg, Pennsyl-vania, USA.

3. V.A.Novikov, V.I.Okunev, Yu.P.Babakov, A.V.Lukakhin, V.G.Tamurka, A.V.Plekhanov. Low Temperature Plasma Generator with Pyrotechnic Source of Hot Oxygen for Pulsed MHD Plants// Proc. of 11th Intern. Conf. on Magnetohydrodynamic Electrical Power Generation. Beijing, China, October 12-16, 1992, V.2, P. 564-569.

4. V.A. Novikov, V.I. Okunev, Yu.P. Babakov, A.V. Plekhanov. Increase of Pulsed Geophysical MHD Installations Specific Power Parameters by Perfection of Solid Fuel Plasma Generators// Proc. of 11th International Conference on Magnetohydrodynamic Electrical Power Generation. Beijing, China, October 12-16, 1992, V.2, P. 556-563.

5. V.A.Novikov, V.I.Okunev, Yu.P.Babakov, A.V.Plekhanov. Improvement of Propellant Plasma Generators for Pulsed Geophysical MHD Facilities. Proc. of 30th SEAM, June 29-July 2,1992, Inner Harbor - Baltimore, MD, USA.

6. Babakov Ju.P., Bordakov V.N., Vengerskii V.V., Novikov V.A., Plekhanov A.V., Jakovlev S.I. Burning Process Features of Solid Plasma-Forming Fuels for Geophysical MHD Generators// Proc. of 10th Intern. Coni. on MHD Electrical Power Generation. 1989, India, Tirruchirappalli, V.4, P. 176-179.

7. Новиков B.A., Каушанский Я.М., Яковлев С.И. Экспериментальное определение коэффициента аэродинамического сопротивлейия горящих металлических частиц в низкотемпературной плазме. III Всесоюзн. совещ.

по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой. Одесса, 1988, С.112.

8. Новиков В.А., Яковлев С.А. Электрическое поле факела продуктов сгорания твердого плазмообразующего топлива. Тез. докл. Научно-практического семинара по электрофизике горения. Караганда, 1989, С.31.

9. Бабаков Ю.П., Новиков В.А., Яковлев С.И. Особенности процесса горения твердого плазмообразующего топлива для импульсных геофизических МГД-генераторов//Хим. физ. процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем: Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, Суздаль, 19-24 ноября 1989, Черноголовка, С. 25-28.

Ю.Новиков В.А., Полонский В.М., Яковлев С.И. Поведение легкоионизи-рующейся присадки в волне горения твердого плазмообразующего топли-ваУ/Физика горения и взрыва, 1990, Т.26, №5, С.52-55.

П.Бабаков Ю.П., Иващенко Ю.С., Новиков В.А., Садырин А.Л., Яковлев С.И. Исследование электропроводности продуктов сгорания плазмообразующего топлива. Тез. докл. III Всесоюзного совещания по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой. Одесса, 1988, С.7.

12.Бабаков Ю.П., Иващенко Ю.С., Новиков В.А., Садырин А.Л., Яковлев С.И. Исследование процесса горения твердого плазмообразующего топлива// Физика горения и взрыва, Т.25, №3,1989, С.43-45.

13.Венгерский В.В., Бабаков Ю.П., Бордаков В.Н., Новиков В.А., Плеханов A.B. Исследование полноты испарения легкоионизирующейся присадки в камере сгорания импульсного геофизического МГД-генератора// Тез. докл. Всесоюзн. конф. "Применение аппаратов порошковой технологии и процессов термосинтеза в народном хозяйстве". Томск, 1987, С. 224-225.

14.Бабаков Ю.П., Новиков В.А., Окунев В.И., Плеханов A.B. Полнота сгорания металлического горючего в твердотопливных генераторах низкотем-

пературной плазмы для импульсных геофизических МГД-генераторов//Теплофизика высоких температур. Т.30,№4,1992, С.829-835.

15.Дурнев В.Н., Новиков В.А., Терзи Е.Д. Математическая модель процессов образования рабочего тела импульсного геофизического МГД-генератора/ЛГеплофизика высоких температур. Т.ЗО, №3,1992, С.629-636.

16.Бабаков Ю.П., Новиков В.А., Яковлев С.И. Математическое моделирование процессов в камере сгорания импульсного МГД-генератора. Тез. докл. Научно-практического семинара по электрофизике горения. Караганда, 1988, С.58.

17.Венгерский В.В., Бабаков Ю.П., Новиков В.А., и др. Математическое моделирование процесса образования низкотемпературной плазмы в камере сгорания геофизического МГД-генератора. III Всесоюзн. совещ. по физике низкотемпературной плазмы с конденсированной дисперсной фазой. Одесса, 1988, С.14.

18.Novikov V.A., Durnev V.N., Terzy E.D. Numerical Study of Working Medium Formation Process in the Pulsed Geophysical Solid Fuel MHD Generator// Proc. of the First Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization, Beijing, October 15-18, 1990, P. 352-357.

19.Novikov V.A., Durnev V.N., Terzy E.D., Vlasov V.S. Numerical Modelling of Two-Phase Reactive Flows in Heterogeneous Displacement Chemical Reactors. Proc. of 13th Int. Colloquium on Dynamics of explosions and Reactive Systems, Nagoya, Japan, July 28 - August 2, 1991, P.204.

20.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Babakov Ju.P., Bordakov V.N., Novikov V.A., et al. Plasma Generators for "Pamir-2F" MHD System with Adjustable Electrophysical Characteristics// Proc. of 10th Int. Conf. on MHD Power Generation. 4-8 Dec., 1989, Tirruchirappalli, India, V.4, P.173-175.

21.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Novikov V.A., Okunev V.I. Research & Development of Powder-Like Fuels and Plasma Generators for Pulsed

Geophysical MHD Facilities // Proc. of 30th SEAM, June 29-July 2, 1992, Inner Harbor - Baltimore, MD, USA, P. III.5.1-III.5.3.

22.Aitov N.L., Novikov V.A., Okunev V.I., Zeigarnik V.A., Glotov O.G. Research of Powder-Like Fuel Compositions Combustion Efficiency in Plasma Generators for Pulsed MHD Facilities // Proc. 32nd SEAM, Pittsburgh, Pennsylvania, USA, June 27-30,1994, P.127-130.

23.Novikov V.A., Vlasov V.S., Durnev V.N. The Mathematical Model and Process Numerical Study Results in Carbon Metallized Fuel Combustor of Geophysical MHD Generator// Proc. of the First Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization, Beijing, October 15-18, 1990, P.348-351.

24.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Novikov V.A., Rickman V.Yu., Serov V.S., Tuchvatullin Z.A. Powder-Fuel Plasma Generator for Geophysical MHD Plants Pamir// Proc. of 10th Int. Conf. on MHD Power Generation. 4-8 Dec., 1989, Tirruchirappalli, India, V.4, P.306-308.

25.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Kulkov V.V., Isaev Yu.I., Matsenko A.B., Novikov V.A., Okunev V.I., Revtov A.N., Rickman V.Yu., Trapeznikov Yu.A., Turovets V.L. MHD-Complex Test Bench "Pamir-2F". Capability Description. First Results// Proc. of 10th Int. Conf. on MHD Power Generation. 4-8 Dec., 1989, Tirruchirappalli, India, V.4, P.304-305.

26.Durnev V.N., Vlasov V.S., Novikov V.A. Mathematical Model and Numerical Study Results of Processes in Metallized Carbon Combustor of Geophysical MHD Generator// Proc. of 10th Int. Conf. on MHD Power Generation. 4-8 Dec., 1989, Tirruchirappalli, India, V.4, P.306-308.

27.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Novikov V.A., Okunev V.I. Development of Powder-Like Metallized Fuels for Pulsed Geophysical MHD Generators // Proc. of The Second Beijing Intern. Symp. on Pyrotechnics and Explosives Combined with The Seventeenth Intern. Pyrothechnicas Seminar. October 2831, 1991, Beijing, China, P.316-319.

28.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Novikov V.A. Research & Development of

Powder-Like Fuel Low-Temperature Plasma Generators for Pulsed

*

Geophysical MHD Facilities // Proc. of XX Intern. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, July 8-12,1991, Piza, Italy, P.237.

29.Aitov N.L., Zeigarnik V.A., Novikov V.A., Okunev V.I., Babakov Ju.P., et al. Research & Development of High-Energetic Fuels and Plasma Generators for Pulsed MHD Power Plants // Proc. of Intern. Conf. on Energy Transfer in MHD Flows. 30th Sept. - 4th Oct., 1991, Cadarache, France.

30.V.A.Zegarnik, V.A.Novikov, A.G.Blokh, A.V.Pisakin, B.G.Tkatchenko. Development of Requirements for Advanced Working Fluids for Pulsed Geophysical MHD Generators.// Proc. of International Symposium on Advanced Energy Technology, February 2-4, 1998, Sapporo, Japan, P. 495-502.