автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Снижение выброса сажи при стендовых испытаниях жидкостных ракетных двигателей

УДК 629.7.036.7 На правах рукописи

ХУДЯКОВ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСА САЖИ ПРИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЯХ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.07.05 -"Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2003

Работа выполнена в ОАО "НПО Энергомаш" им. академика В. П. Глушко.

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Целиков В. А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Путилов А.В. доктор технических наук, профессор, Яновский JI.C.

Ведущая организация - институт проектирования машиностроительных предприятий (ОАО "Ипромашпром"), 103473, г. Москва, пл. Суворова, д.1.

Защита состоится_2003г. в _ на заседании

диссертационного совета в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете), по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (Государственного технического университета). Автореферат разослан_2003 г.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе,

k

д.4, Ученый совет МАИ, ученому секретарю совета.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.125.08, доцент, к.т.н.

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Огневые испытания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) большой мощности (с тягой 100 тс и более) сопровождаются сильным аэродинамическим шумом (180 - 200 дБ А), выбросом большой массы высокотемпературных продуктов сгорания ракетного топлива (до 2.5 т/с), содержащих загрязняющие и токсичные примеси, а также действием ряда других физико-химических факторов, представляющих опасность для персонала испытательных комплексов, населения прилегающих к ним территорий и окружающей природной среды.

Поэтому эксплуатация испытательных комплексов ЖРД связана с необходимостью реализации целого комплекса мер по шумозащите, взрыво -и пожаробезопасности, очистке и охлаждению продуктов сгорания.

Наиболее остро стоит задача подавления или снижения до нормативно допустимых уровней действия опасных физико-химических факторов, возникающих в процессе огневых испытаний ЖРД, в тех случаях, когда испытательные комплексы размещены в местностях, недостаточно удаленных от жилой застройки. Так, например, в НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко, испытательные стенды которого расположены практически в городской черте, в целях обеспечения промышленной и экологической безопасности проводимых огневых испытаний мощных ЖРД осиащены уникальными многофункциональными выхлопными системами закрытого типа. В состав этих систем входят устройства, обеспечивающие пожаро - и взрывобезопасность (бронекамера) и экологическую защиту (дожигатель выхлопных газов, шумоглушитель, гидрогаситель тепловой и кинетической энергии выхлопной струи).

Таким образом, крупномасштабная задача стендовой отработки создаваемых в НПО «Энергомаш» мощных ЖРД, включая 800-тонного кислородно-керосинового РД-170 (171), была успешно решена.

Вместе с тем, в ходе эксплуатации выхлопных систем закрытого типа на стендах № 1, 2 было установлено, что огневые испытания кислородно-керосиновых двигателей сопровождаются непредвиденным образованием и выбросом большого количества сажи, не выгорающей в штатном дожигателе выхлопных газов, предназначенном по проекту для дожигания окиси углерода (СО) и водорода (Н2).

По данным экологического мониторинга количество сажи, выброшенной в атмосферу с продуктами сгорания ЖРД и уловленной в воде гидрогасителей за время одного испытания двигателя РД-170 (171), может составить в среднем около 600 кг. Между тем, по своим токсическим характеристикам сажа относится к биологически опасным (канцерогенным) веществам, а ее удельная эквивалентная токсичность в сумме всех загрязняющих примесей, содержащихся в очищенных от СО продуктах сгорания кислородно-керосиновых двигателей, составляет около 65%.

Причины интенсивного образования и выброса сажи в процессе огневых испытаний с закрытым газоотводом до последнего времени не были однозначно установлены, а предпринимавшиеся ранее попытки подавления этого негативного фактора с использованием штатной системы дожигания выхлопных газов не дали ожидаемых результатов, что и предопределило актуальность проведения данной работы.

Цель диссертационной работы — разработка научно обоснованных рекомендаций по существенному снижению выброса сажи в процессе огневых испытаний ЖРД, работающих на углеводородном горючем (керосине) и жидком кислороде, на стендах закрытого типа.

В качестве объекта исследования настоящей работы выбрана система «ЖРД — газоотводной тракт» на испытательном стенде закрытого типа, а предмета исследования—процессы образования, выгорания и выброса сажи в данной системе при огневых испытаниях мощных кислородно-керосиновых ЖРД (РД-171,РД-180 иРД-191).

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:

1) анализ современного состояния вопросов по проблеме образования, выгорания и выброса сажи при сжигании углеводородных топлив в камерах сгорания ЖРД, авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и других устройствах;

2) обоснование концепции образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе «ЖРД — газоотводной тракт»;

3) разработка конструкции устройства для отбора проб сажи из высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале газоотводного тракта;

4) разработка и реализация методики проведения экспериментов с отбором проб сажи в выхлопной струе;

5) аналитические исследования физико-химических характеристик частиц сажи в отобранных пробах в целях идентификации условий и мест их образования в испытательной системе «ЖРД — газоотводной канал»;

6) разработка практических рекомендаций по снижению выброса сажи при проведении огневых испытаний кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа.

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну и практическую ценность работы:

1) концепция образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе «ЖРД — газоотводной тракт»;

2) разработка конструкции прямоточного устройства для отбора проб сажи в высокотемпературных и высокоскоростных потоках продуктов сгорания ракетного топлива, протекающих в газоотводном тракте;

3) идентификация камеры сгорания ЖРД как источника выброса в газоотводной тракт сажи и несгоревших углеводородов.

Практическая ценность работы - разработанные и частично апробированные три варианта ввода кислорода к пограничному слою выхлопной струи ЖРД, для эффективного выгорания сажи.

Реализация результатов работы осуществлена на стендах закрытого типа №1, 2 в научно-испытательном комплексе ЖРД НПО Энергомаш (г. Химки, Московской обл.).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные материалы и результаты диссертационной работы представлялись в докладах и публичных сообщениях на научно-практических семинарах 2-го факультета Московского авиационного института, на заседаниях постоянно действующего Научно-технического совета в НПО Энергомаш, а также на 6-ом международном симпозиуме (Франция) в мае 2002 года.

Публикации.

Материалы диссертационной работы нашли отражение в 5 публикациях, в том числе один патент.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 90 страницах основного текста и состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы из 30 наименований, имеет 13 рисунков, 4 таблицы и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, определены объект и предмет исследования, показаны (в экологическом и санитарно-гигиеническом аспектах) научная новизна и практическая значимость решения проблемы снижения выброса сажи при проведении огневых испытаний кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа.

В первой главе представлен обзор современного состояния вопросов по проблеме образования, выгорания и выброса сажи при сжигании углеводородных тошшв в камерах сгорания ЖРД, авиационных газотурбинных двигателей, в модельных установках, а также перечень задач для исследований.

Дано определение сажи, как разновидности углеродного полимера, представляющего собой полидисперсный порошок, образующийся при неполном горении или термическом разложении (пиролизе) углеродсодержащих веществ.

Рассмотрены различные физико-химические модели образования сажи, а также физико-химические свойства частиц сажи в зависимости от условий организации сжигания углеводородного топлива.

По химическому составу сажа представляет собой углеродный продукт, в котором углерод составляет около 98%, остальную часть составляют более 1% водород, а также кислород, сера и другие компоненты, входящие в состав природного нефтяного топлива.

Размер частиц сажи зависит от вида топлива, условий сжигания и времени пребывания частиц в потоке. Сажа, получаемая в результате сжигания легкого топлива (например,' керосина), образуется главным образом при разложении газовой фазы в условиях высоких температур и недостатке кислорода в испарившемся горючем. Такая сажа представляет собой очень мелкие сферы с диаметром 0,02 - 0,05 мкм.

Кроме сажи газофазного разложения, образуется также сажа жидкофазного разложения в том случае, когда капля жидкого горючего испаряется в результате теплопередачи от высокотемпературных продуктов горения внутри камеры сгорания. Такая сажа представляет собой частицы сажи по форме близкой к сфере диаметром 10 - 300 мкм.

По токсическим свойствам сажа относится к биологически опасным веществам. Наиболее опасна высокодисперсная сажа с размером частиц 20 -40 мкм, которая проникает в ткани дыхательных органов, кожный покров человека и, накапливаясь в них, может вызвать раковые заболевания. Кроме этого, биологическая опасность сажи усиливается тем, что на поверхности ее частиц могут сорбироваться другие опасные вещества, образующиеся одновременно с сажей по сходному механизму, например, 3,4 - бензпирен, относящийся к числу наиболее опасных веществ и являющийся явно выраженным канцерогеном.

Поэтому присутствие сажи в составе продуктов сгорания ЖРД оказывает существенное влияние на их удельную эквивалентную токсичность, приведенную к токсичности СО по следующей зависимости:

= qco+0,66^q +10Чно, +20Чс +(5Ч )

п ш х

В суммарной токсичности всех загрязняющих примесей, содержащихся в выбросах продуктов сгорания ЖРД, токсичность сажи составляет около 65%. Между тем, согласно данным экологического мониторинга выброс сажи в гидрогаситель и в атмосферу может достигать 73 тонн в год (рис.1).

Таким образом, выбросы сажи, обладающей токсическими и канцерогенными свойствами, могут оказывать негативное воздействие как на экологическую, так и на санитарно-гигиеническую обстановку в производственной зоне испытательного комплекса и на прилегающих территориях, включая жилую застройку. В частности, вероятность выпадения дождевого осадка, загрязненного сажей, по ходу движения паро-газового

выхлопного облака является основной причиной того, что сектор 280°-360° (по направлениям ветра на стенд) для проведения продолжительных (более 30с) испытаний двигателей РД-170 (171) до настоящего времени остается запретным.

Приведены некоторые результаты поисковых работ автора, выполненных ранее в целях решения возникшей проблемы.

Из анализа разделов обзора следует: ' 1) огневые испытания кислородно-керосиновых ЖРД на стендах

закрытого типа сопровождаются интенсивным образованием и выбросом с продуктами сгорания большого количества сажи, не > выгорающей в дожигателе выхлопных газов;

2) камера сгорания ЖРД (ее завеса) предположительно является первичной зоной сажеобразования и основным источником поступления сажи и несгоревших углеводородов в газоотводной тракт;

3) функциональные недостатки проектной схемы ввода жидкого кислорода в дожигатель выхлопных газов исключают возможность организации выгорания в нем сажи, поступающей из двигателя;

4) публикации по экспериментальным исследованиям процессов образования, выгорания и выброса сажи в камерах сгорания ЖРД и газоотводных трактах в доступной научно-технической литературе отсутствуют;

5) устройства, пригодные для отбора проб дисперсной фазы продуктов сгорания ЖРД в высокотемпературном сверхзвуковом потоке, протекающем в газоотводном тракте, отсутствуют.

Во второй главе изложены назначение, характеристики и устройство испытательного стенда закрытого типа стендов № 1,2 НПО Энергомаш, а также технология дожигания выхлопных газов (на примере 800-тонного двигателя РД-170 (171)).

В отличие от стендов открытого типа, на которых выхлоп испытуемого двигателя происходит прямо в атмосферу, на стенде закрытого типа двигатель устанавливается в закрытой бронекамере, обеспечивающей взрыво- и пожаробезопасность, а выхлопная струя отводится от сопла ЖРД, по газоотводного тракту к устройствам газоочистки (дожигателя) шумоглушения и гидрогашения.

Поэтому ведущая роль в подавлении химического фактора в процессе огневого испытания ЖРД отводится дожигателю выхлопных газов.

Согласно термодинамическим расчетам в равновесном составе продуктов сгорания на срезе сопла кислородно-керосинового двигателя содержатся горючие газы: водород -7,8 объемных % и окись углерода - 31,9 объемных %. Исходя из этого, в проекте дожигателя и было предусмотрено дожигание только этих горючих газовых компонентов путем впрыска в высокотемпературный поток расчетного количества жидкого кислорода и воды.

В третьей главе изложены концепция, методика и результаты экспериментальных и аналитических исследований процессов образования и выгорания сажи в испытательной системе «ЖРД-ГОТ».

Перенесение некоторых общих закономерностей процессов образования и выгорания сажи в устройствах для сжигания углеводородных топлив (камеры сгорания авиационных газотурбинных двигателей, модельных камерах сгорания и др.), а также выводы из своих работ, проведенных ранее (см. гл.2), позволили автору предложить концепцию образования и выгорания сажи в испытательной системе «ЖРД-ГОТ» для последующего экспериментального подтверждения ее положений путем отбора проб на присутствие сажи в характерных зонах в выхлопной струе, протекающей в канале газоотводного тракта (рис.2)

Суть предложенной концепции сводится к следующему.

В камере сгорания двигателя горение части горючего, расходуемого на внутреннее (завесное) охлаждение стенок камеры в количестве 2,5% от суммарного расхода топлива, происходит при низких значениях коэффициента избытка окислителя и относительно низкой температуре (600-1600К). При этом не прореагировавшее с кислородом горючее подвергается высокотемпературному пиролизу с образованием сажи от воздействия основного ядра продуктов сгорания. Таким образом, камера сгорания (ее завеса) является первичной зоной сажеобразования в ЖРД и основным источником поступления сажи и несгоревших углеводородов (продуктов пиролиза горючего) в выхлопной диффузор газоотводного тракта.

В выхлопном диффузоре условия для выгорания сажи, образовавшейся в камере сгорания двигателя, отсутствуют, так как подвод кислорода на участке диффузора по штатной схеме не предусмотрен.

В то же время несгоревшие углеводороды здесь подвергаются дополнительному пиролизу с образованием сажи вследствие нагрева до 18002000 К от ядра выхлопной струи (в отсутствии кислорода).

В дожигателе локальные сажеобразующие зоны могут находиться как в пристеночном слое, где вследствие неорганизованного ("паразитного") впрыска воды из возникающих трещин в теплозащитной облицовке происходит интенсивный теплоотвод из зоны горения

(вплоть до срыва горения), так и в ядре потока из-за дефицита кислорода, поступающего с периферии на входе в дожигатель, и недостаточно равномерного смешения его с горючими компонентами выхлопных газов (СО, Н2, С). Одновременно эти же факторы (избыток воды в пристенке дожигателя и дефицит кислорода в ядре потока) препятствуют выгоранию образовавшейся сажи.

Главной целью экспериментальных исследований в работе является подтверждение основных положений предложенной концепции сажеобразования. Пробы в сечении I-I (входной конус выхлопного диффузора), отстоящем от среза сопла 0,92 м, должны характеризовать наличие сажи в периферийном (пограничном) слое выхлопной струи.

В сечении II-II (на выходе из горловины выхлопного диффузора), отстоящем на расстоянии 16 м от среза сопла, пробы должны подтвердить (или опровергнуть) предположение о дополнительном сажеобразовании в этой характерной зоне ГОТ, а также о степени выгорания образовавшейся сажи при локальной подаче сюда жидкого кислорода (рис.3).

Для отбора проб в сверхзвуковом высокотемпературном газовом потоке, протекающем в канале газоотводного тракта, было использовано специальное прямоточное устройство, разработанное в рамках данной работы на основе авторского патента.

Крепление пробоотборника, собранного в силовом водоохлаждаемом корпусе, осуществляется электросваркой непосредственно к теплозащитной облицовке диффузора таким образом, что канал заборного насадка продольно заглублен в выхлопную струю на 120 мм с периферии. В качестве фильтроэлемента используется пористая дисковая пластина из хромоникелевого материала "нихром", полученного методом порошковой металлургии, с пористостью 27% и отличающегося высокой жаростойкостью (до Т=1523К).

Массу сажевого фильтрата, уловленного на фильтроэлементе, и осредненную за весь цикл огневого испытания, определяли взвешиванием на аналитических весах BJIP-200, а дисперсный состав сажевых частиц -фотометрическим методом (в растворе гексана) на приборе ПКЖ-902.

Форму сажевых частиц, преобладающих во фракциях, определяли путем микроскопирования на оптическом и электронном микроскопах с увеличением в х250 и х10000 соответственно.

Анализ проб сажи проводили по трем показателям: -содержание в пробах нелетучих продуктов неполного сгорания

(углеводородов); - содержание в пробах неорганических веществ; -дисперсный состав сажи.

На основании аналитических данных построены графики массового распределения и плотности распределения частиц сажи по различным фракциям (рис.4).

Из характеристик по массе сажевого фильтрата, уловленного на фильтроэлементах, следует, что сажа присутствует в пограничном слое выхлопной струи кислородно-керосиновых ЖРД, как в непосредственной близости от среза сопла (920 мм), так и в горловине выхлопного диффузора на удалении от среза сопла до 16 ООО мм.

При анализе проб сажи установлено также наличие в них нелетучих углеводородов, экстрагируемых хладоном ИЗ, в количестве около 2% по массе. Кроме этого специальными исследованиями было установлено, что в продуктах сгорания за дожигателем содержится газифицированные углеводороды (£СН) с массовым выходом до 1 кг/с, включая метан (СН4) и ацетилен (С2Н2), которые отсутствуют в составе исходного горючего (керосина) и являются продуктами его пиролиза в завесе камеры сгорания.

Тем самым экспериментально подтверждено, что из завесного слоя камеры сгорания происходит выброс в газоотводной тракт не только сажи, но и несгоревших углеводородов, которые в диффузоре подвергаются дополнительному (углубленному) пиролизу при нагреве от ядра выхлопных струй в отсутствии кислорода.

По дисперсному составу сажа в пробах характеризуется преобладанием фракции с частицами размерами 5-25 мкм сферической формы и весьма малой (менее 2 % по массе) фракции с размерами частиц менее 5 мкм.

Как известно, такая сажа образуется в условиях высоких температур при недостатке кислорода вследствие жидкофазного разложения (пиролиза) углеводородов в том случае, когда капля (пленка) жидкого углеводородного горючего испаряется в результате теплопередачи от высокотемпературных продуктов горения в камере сгорания, тогда как образование частиц сажи с размерами меньше 5 мкм более характерно для газофазных реакций.

Приведенные аналитические характеристики частиц сажи в пробах по совокупности позволяют идентифицировать условия образование ее в камере сгорания ЖРД вследствие горения и нагрева завесного слоя (пленки) горючего при дефиците (отсутствии) кислорода и термического разложения несгоревших углеводородов вследствие теплопередачи от основного ядра продуктов сгорания.

Таким образом, предположение о том, что в камере сгорания двигателя горючее, расходуемое на завесное охлаждение и не прореагировавшее с кислородом, подвергается высокотемпературному пиролизу с образованием и выбросом сажи и несгоревших углеводородов в газоотводной тракт, подтверждено экспериментально. Наглядным подтверждением этого является фотография выхлопной струи двигателя РД-180, выполненная на открытом стенде (рис.5).

В пробах, отобранных в экспериментах №17,19 в нижней точке сечения II—II, масса сажи по сравнению с пробами в сечении I—I, отобранными одновременно, больше в 1,7 и 2,9 раза, что может свидетельствовать о дополнительном сажеобразовании в пристеночной области горловины диффузора.

Между тем, при включенной подаче жидкого кислорода в поясе 1 масса сажи в пробах, отобранных в экспериментах №17,18, 19 в верхней точке сечения II—II, отстоящей на 700 мм дальше от места ввода кислорода в пограничный слой струи, снижается по сравнению с пробами в нижней точке ниже в 5 раз (№17, 19) и до полного отсутствия сажи на фильтроэлементе пробоотборного устройства (№18), что свидетельствует об эффективном выгорании и снижении выброса сажи в этом случае. При этом необходимо м отметить, что указанная эффективность выгорания сажи в потоке имеет место

только при вводе кислорода в пограничный слой выхлопной струи на участке её сверхзвукового течения в горле диффузора, пока пограничный слой еще не ' перемешан с ядром струи при переходе её в дозвуковое течение в зоне

прямого скачка в выходном конусе диффузора. Таким образом, неэффективность ввода кислорода в поток продуктов сгорания после перехода его в дозвуковое течение, и, как следствие этого, после смешения пограничного слоя, содержащего сажу, с ядром потока подтверждена экспериментально.

В четвертой главе приведены рекомендации по изменению и доработке проектной схемы ввода кислорода в выхлопную струю для организации эффективного выгорания сажи и снижения ее выброса в процессе огневых испытаний ЖРД.

Исходя из этого в данной работе, представлены практические рекомендации по реализации результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований в виде трех вариантов ввода кислорода к пограничному слою выхлопной струи в непосредственной близости от среза сопла:

1) ввод атмосферного воздуха в диффузор путем подсоса через открытые люки в бронекамере с использованием эжектирующего эффекта выхлопной струи ЖРД;

2) ввод жидкого кислорода на вход диффузора с периферийным впрыском в межструйное пространство и в плоскостях симметрии между струями, включая ядро потока;

3) ввод газообразного кислорода на вход диффузора.

В перспективе (при разработке новых типов кислородно-керосиновых ' двигателей) дополнительным фактором существенного снижения выброса

- сажи из камеры сгорания ЖРД может стать уменьшение расхода горючего на

завесное охлаждение камеры в допустимом диапазоне в3 = 1,5-2,5% по массе ■1 от суммарного расхода топлива.

Основные выводы.

1. Огневые испытания кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа, оснащенных газоотводными трактами (ГОТ), I сопровождаются интенсивным образованием и выбросом сажи, которая обладает токсическими и канцерогенными свойствами и поэтому является

одним из наиболее опасных загрязняющих веществ в объектах производственной зоны и окружающей природной среды. д

По данным экологического мониторинга токсичность сажи в суммарной токсичности всех остальных загрязняющих ингредиентов, содержащихся в выхлопных газах ЖРД, составляет около 65%.

2. Существующий в составе газоотводного тракта дожигатель выхлопных * газов, рассчитанный на дожигание окиси углерода и водорода, в силу функциональных недостатков проектной схемы ввода кислорода на дожигание, исключает возможность организации выгорания дисперсных

частиц твердого углерода (сажи).

3. Предложена концепция образования, выгорания и выброса сажи в I испытательной системе «ЖРД - газоотводной тракт», отождествляющая эти процессы с термическим разложением (пиролизом) углеводородов ракетного горючего при дефиците кислорода в пристеночном (завесном) слое камеры сгорания двигателя и в сажеобразующих зонах газоотводного тракта при отсутствии в них условий для выгорания образовавшейся сажи.

4. Разработана конструкция прямоточного устройства для отбора проб сажи из пограничного слоя высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале выхлопного диффузора.

5. Получены аналитические данные фракционного, дисперсного состава и формы уловленных частиц. Анализ этих данных позволяет считать, что камера сгорания двигателя является основным источником выброса сажи и несгоревших углеводородов в газоотводной тракт.

6. Экспериментально подтверждена возможность организации выгорания сажи при вводе кислорода в пограничный слой выхлопной струи на участке сверхзвукового течения в горле диффузора.

7. Предложены и частично апробированы в экспериментах на стенде три варианта конструктивных решений по вводу кислорода для выгорания сажи на входе выхлопного диффузора, в непосредственной близости от среза сопла ЖРД.

Основное содержание диссертации отображено в следующих работах:

1. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. Экологические аспекты проведения огневых испытаний жидкостных ракетных двигателей большой мощности на стендах закрытого типа. "Труды ГДЛ-ОКБ" № 18 М. 2000. с.334-353.

2. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. К вопросу о сажеобразовании и выбросе сажи в процессе огневых испытаний ЖРД на стендах закрытого типа.// Труды ГДЛ-ОКБ. №19. М.: 2001. с. 251-254.

3. Иванов H.H., Петропавлов A.A., Худяков В.Н. и др. Прямоточное устрйство для отборов дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках. Патент № 2108559. Приоритет изобретения 8 ноября 1995г.

4. Худяков В.Н. Снижение выброса сажи при огневых испытаниях ЖРД на стендах закрытого типа.// Труды ГДЛ-ОКБ № 20. М.: 2002.

5. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. Экологические аспекты проведения огневых испытаний ЖРД большой мощности на стендах закрытого типа.//Двигатель. №4 (16). 2001. С. 2- 4.

J

Норматив ВДВ. кг/с диРД-170(171)

С

/ 0,76%

Я)!

- 1,09%

• -

1,8%

4 N01 5,45%

~ СО 90,8%

Тогсическж: характеристики шрпниющих веществ, содержишься в продут» сгоранид риетого топлива кислородно-керосиновых ЖРД

Наяменоинж Кякс пдв. щк»и аде.» ПДКир дар

ШфПЯЯОДКХ явезооя 1Г/С ■юлим ВКХКПрл

НШРЛ1 РД 17(!> хти •Млук. обкт 1пт савка шшю.

УГ/К* мг/м' ига ИГЛ

Осек* утери» № 4 200 )« -

УлкпафЯЫ 5СИ 4 1.0 то и

С«о < _ ) 041 40 015 ">Яов

Двтоиавоп N0, 2 М_ 2,0__ 0/1»

СяжяиоаА нпирад Ю, ] Г„н, ] | 0,6 10,0 0.!

и »• 1 |<С ' ю- 1 Ю'

"Достигаете« разбавлеянем сажи водой при слое осади > юшгошло в соотношении вод&'сажа -2000

СО 21,4%

N0; 12,8%

БО! 1,3%

64.2%

Формула приведения к СО токсичности выбросив ЖРД

= а + 0,667а + 10а + 20ц + (5я )

ЛХ) СН N0: 4

Токсичность выносов ЖРД, приведенная к СО

Тонн

1987 1988 1989 1991

Количество сажи накашидающейс! в осадке гидрогасителей N1,2*8 1годработы

Капчсст а о*та» осда* ь лцрегавпми N1Д мшктанивохю » теят оякго гад яря огжяа каьгпмш и«лз{ю»в-«росшкадам1Г»1еве1РД-170(171)

рОи» *

-в?™«] I ? _ ->2,4 ]

в," .

.»лит.,.

"'Кшмчктю ахи, ьдашшммвмм I тфогадггмп

170(171) состиэдат ■ СрЬШЫ 1

к: 1в

Рис 1. Токсические характеристики загрязняющих веществ

Двигатель РД-170 (171) - чггырсхшсрный

1-1

I

Двигатель РД-180 - двухкамерный

Двигатель РД-191 - однокамерный

э с

\«

с

----+"

1-ЖРД(КС), 2-выхлопной диффузор, дожигатель, 4-зоны интенсивного сажеобразовашш

Рис 2 Схема к теоретической концепции сажеобразования в системе "ЖРД-ГОТ"

1, 2,3 - пояса ввода жидкого кислорода I, II, III - сечения отбора проб сажи 4 - пробоотборник

11 • 111 • t i

РД1Ч1 1

РД180 J 022 И3-034 РД171 020 021 022 023 024

Кнслорид-труболроводы ^ ф Г ^У"*00

Многоканальный

О

2/ 1.

6 200 , ' 9 400

Код Кол ню фо[К)1ИЖ dl мм Расход, klfrck

022 1 15 25 1. 210-10

( 21 21 l: ! 1 «

»21 * 2 ч <

Ьромскамсра

Рис. 3 Схема поясов »вода жидкого кислорода в дожигатель и диффузор и установки пробоотборннх устройств

а) кюг

- -

— © —

1 !

0 2! 50 7! >00 12! 150 175 0(81%, не

б)

-- 1

/ У 1

// о

1

)

1

—4—1

-и *

О ¡5 50 75 100 125 |Ю 175 6л

_ | 1

I 1 -

— \ © -

✓1 1 N

100

п пгг J

2. = ^Щ^.е1" 218Ъ -1 т /2ТГ81бсг

Массовое распределение и плотности распределения частиц сажи по размерным фракциям:

а) В сеЧ.№1 • НИ РД-171 №947 - НИ РД-171 №948 — НИ РД-171 №949

б) В сеч.№2 . 1Щ РД-191 №007 • НИ РД-180 №155 - НИ РД-171 №948 — НИ РД-171 №949

Фотографа часгац сажи при оптичссгои тгсросгопировднии Фотографии чвспт сажи при -жггрояиои лтфоскопиройатт (Увеличение * 250) (Укличяок х 10000)

Рис 4 Характеристики частиц сажи

( )

!

Рис. 5 Выхлопни стру* двигателя РД-180 при огневом испытании на открытом стенде

Р11829

u sep

/ i

Введение

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Физико-химические свойства частиц сажи.

1.2. Физико-химические модели образования частиц сажи.

1.3. Сажеобразование при горении предварительно смешанных гомогенных и неоднородных топливовоздушных смесей.

1.4. Сажеобразование и выброс сажи в камерах сгорания ЖРД

Глава 2. Назначение, характеристики и устройство испытательного стенда закрытого типа.

2.1. Характеристики стенда.

2.2. Устройство стенда.

2.3. Возможности стенда. Дожигание выхлопных газов (на примере двигателя РД-171).

Глава 3. Исследование процессов образования и выгорания сажи в испытательной системе "ЖРД — газоотводной тракт (ГОТ)".

3.1. Авторские работы предыдущих периодов.

3.2. Концепция сажеобразования в системе "ЖРД - ГОТ".

3.3. Методика экспериментальных исследований.

3.4. Проведение экспериментов с отбором проб сажи.

3.4.1. Выбор зон и точек отбора проб

3.5. Методика обработки и результаты анализа проб сажи.

3.5.1. Выбор характерных показателей.

3.5.2. Определение содержания в саже углеводородов.

3.5.3. Определение содержания в саже неорганических веществ.

3.5.4. Определение дисперсного состава сажи.

Глава 4. Оптимизация мест и способов ввода кислорода в системе "ЖРД-ГОТ".

4.1. Рекомендации по изменению проектной схемы ввода кислорода в ГОТ.

4.2. Пример расчета количества сажи в завесе камеры сгорания ЖРД (РД-171) и количества кислорода, необходимого для 80 ее выгорания в диффузоре газоотводного тракта.

4.3. Определение экономической эффективности. 82 Выводы 86 Литература 88 Приложения 91

Огневые испытания мощных ЖРД (см. прилож. п.1-п.З) могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду и население, особенно в случаях, когда испытательные стенды недостаточно удалены от жилых районов.

Оно выражается в аэродинамическом шуме высокой интенсивности, мощном световом эффекте от выхлопной струи, истекающей из сопла двигателя, выбросе в атмосферу большой массы высокотемпературных продуктов сгорания ракетного топлива, взрывоопасности процесса испытания, особенно при возникновении нештатных ситуаций, загрязнении оборудования и территории опасными компонентами топлива при случайных проливах и др.

Так, например, при работе двигателя с тягой 740 тс выброс продуктов сгорания равен примерно 2,5 тонны в секунду, а звуковое давление шума достигает 180-200 дБА.

Научно-производственное объединение энергетического машиностроения (НПО Энергомаш), которое является ведущим в России по созданию предельных по величине тяги и другим характеристикам ЖРД, территориально располагается в жилом массиве подмосковного г. Химки (рис.1).

Поэтому, в целях безусловного соблюдения требований экологической безопасности и нормативов промсанитарии, необходимо было найти организационно-техническое решение, обеспечивающее проведение всех работ по испытаниям и доводке ЖРД в зоне своего месторасположения.

Таким решением явились научное обоснование, разработка и создание уникальных испытательных стендов закрытого типа, оснащенных газоотво-дящими трактами, комплексно выполняющими природоохранительную функцию (рис.2).

В отличие от стендов открытого типа, на которых выброс продуктов сгорания ЖРД происходит прямо в атмосферу, на стендах закрытого типа испытуемый двигатель устанавливается в бронекамере, а выхлопная струя i

Рис. 1 Ситуационный план района расположения испытательного комплекса отводится от сопла по газоотводному тракту (ГОТ) к устройствам газоочистки, шумоглушения и гидрогашения тепловой и кинетической энергии.

Бронекамера, оснащенная водными и газовыми системами локализации и непрерывного удаления возможных проливов компонентов ракетного топлива, обеспечивает взрыво- и пожаробезопасность в нештатных ситуациях при проведении огневого испытания, надежную защиту от взрывной волны и осколков в случае разрушения узлов и агрегатов испытуемого двигателя, а также полностью экранирует световое излучение от выхлопной струи ЖРД.

Сверхзвуковая струя продуктов сгорания, преобразованная в выхлопном диффузоре в дозвуковую, проходит через дожигатель, где в нее впрыскивается расчетное количество жидкого кислорода (до 800 кг/с) и воды для выгорания горючих составляющих (СО и Н2). При этом впрыскиваемая вода понижает температуру выхлопных газов до уровня 1600.2000К , а также участвует как необходимый реагент в реакции окисления СО (рис. 1.2).

За дожигателем, в головной части ГОТ, в выхлопную струю впрыскивается вода в соотношении к расходу газа ~8/1 (~23 т/с), вследствие чего образуется парогазожидкостная смесь с температурой ~400 К.

В процессе массо-теплообмена с водяными струями в головной части происходит резкое снижение температуры и скорости потока продуктов сгорания и, как следствие этого, диссипация его акустической энергии с трансформацией первичного аэродинамического шума двигателя во вторичный, т.е. шумоглушение.

Вытекающая из ГОТ парогазожидкостная струя взаимодействует в кольцевой камере гидрогасителя с большой массой воды (общий объем более 20000 м3), вследствие чего происходит окончательное "гашение" её кинетической и тепловой энергии.

В конечном счете, охлажденные до температуры ~370 К продукты сгорания в смеси с водяным паром и мелкодисперсной влагой выбрасываются в атмосферу через трубу высотой 85 м.

Использование такой технологии испытаний ЖРД позволило в основном исключить или снизить до нормативных уровней действие отрицательных факторов на окружающую среду и людей. При этом были изолированы в закрытом объёме газоотводного тракта и локализованы в границах производственной площадки и санитарно-защитной зоны стенда такие наиболее значимые экологически отрицательные факторы, как акустическое, световое и тепловое воздействия газовой струи, пожаро- и взрывоопасность, сброс больших масс сточных вод во внешнюю канализацию и открытые водоёмы (благодаря применению оборотного водоснабжения), уменьшение выбросов в атмосферу продуктов неполного сгорания компонентов ракетного топлива (в основном СО).

Вместе в тем, в ходе многолетней эксплуатации стендов закрытого типа выявились и некоторые существенные недостатки выхлопных трактов, снижающие их функциональные возможности в обеспечении комплексной очистки выхлопных газов от всех содержащихся в них загрязняющих веществ.

Наиболее значимым из них является невозможность организовать выгорание сажи и несгоревших углеводородов, содержащихся в выхлопных газах, в дожигателе, изначально рассчитанном только на дожигание водорода и окиси углерода, вследствие чего огневые испытания кислородно-керосиновых ЖРД сопровождаются интенсивным выбросом этих веществ из газоотводного тракта.

Образование и выброс большого количества сажи представляет проблему (в экологическом и в санитарно-гигиеническом аспектах), удовлетворительного решения которой не найдено до настоящего времени.

Суть проблемы состоит в том, что сажа, обладающая не только токсическими, но и канцерогенными свойствами, осаждается на строительных и технологических конструкциях, стендовом оборудовании и коммуникациях, загрязняя спецодежду персонала, воздух рабочей зоны и оборотную воду гидрогасителя.

Кроме этого, часть сажи в составе дисперсной влаги увлекается скоростным потоком продуктов сгорания в трубу рассеивания и выбрасывается в виде гидроаэрозольных клубов в атмосферу, а затем в виде дождевого осадка выпадает на землю по ходу их движения, загрязняя почву, растительный покров, водоёмы.

Автор настоящей работы принимал непосредственное участие в создании стендов закрытого типа, совершенствовании их основных характеристик по мере усложнения испытуемых двигателей, повышения их удельных и интегральных параметров, включая поиски причин сажеобразования и выброса сажи.

С этой целью проводилась систематическая работа по анализу конструктивных и функциональных недостатков (несовершенства) основных элементов существующих газоотводных трактов, по сбору и анализу научно-технической литературы, а также результатов НИР по данной тематике, выполненных в смежных областях техники (авиационные газотурбинные двигатели, теплотехника, производство технического углерода и др.).

Наряду с этим, совместно с другими исследователями (НИИТП, ИХФ РАН, КАИ), инициировались и проводились поисковые работы по выявлению и идентификации источников выброса сажи в испытательной системе "ЖРД-ГОТ"; исследования течения многосопловых газовых струй и смешения их с реагентами, вводимыми в них в канале диффузора и дожигателя (на модельной установке), экспериментальная отработка технологии дожигания выхлопных газов при различных вариантах подвода жидкого кислорода в зону дожигания.

Для достижения этого результата, необходимо:

1) выполнить анализ современного состояния вопросов по проблеме образования, выгорания и выброса сажи при сжигании углеводородных топлив в газотурбинных двигателях (ГТД), камерах сгорания ЖРД, авиационных и других устройствах;

2) обосновать концепцию образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе " ЖРД - газоотводной тракт";

3) разработать конструкцию устройства и методику для отбора проб сажи из высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале газоотводного тракта;

4) произвести аналитические исследования физико-химических характеристик частиц сажи в отобранных пробах в системе "ЖРД-ГОТ";

5) разработать практические рекомендации по снижению выброса сажи при проведении огневых испытаний кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа.

Оценка намеченных мероприятий по актуальности, значимости содержания, объёму, новизне проведения, дают основание считать, что положительные результаты указанных работ могут явиться основой его диссертационной работы с обобщающей формулировкой: «Снижение выброса сажи при стендовых испытаниях жидкостных ракетных двигателей».

На защиту выносятся следующие положения, составляющие научную новизну и практическую ценность работы:

1) концепция образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе "ЖРД — газоотводной тракт";

2) разработка конструкции прямоточного устройства и методики отбора проб сажи в высокотемпературных и высокоскоростных потоках продуктов сгорания ракетного топлива, протекающих в газоотводном тракте;

3) данные по дисперсному составу сажи, уловленной пробоотборниками;

4) определение камеры сгорания ЖРД (ее завесы) как источника выброса в газоотводный тракт сажи и несгоревших углеводородов;

5) предложения по доработке проектной (штатной) схемы ввода кислорода в выхлопную струю ЖРД в целях организации эффективного выгорания образовавшейся сажи и снижения её выброса с продуктами сгорания на испытательных стендах закрытого типа.

Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук В .Я. Басевичу, С.М. Когарко (ИХФ РАН), Р.А. Гафурову (КАИ), В.М. Миронову (НИИТП), кандидату технических наук A.M. Дубинскому (НИИ I II), которые оказали помощь при постановке задач и принимали участие в проведении исследований по отдельным направлениям работы, а также в обсуждении полученных результатов.

Выводы.

1. Огневые испытания кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа, оснащенных газоотводными трактами (ГОТ), сопровождаются образованием и выбросом сажи, которая обладает токсическими и канцерогенными свойствами и поэтому является одним из наиболее опасных загрязняющих веществ в объектах производственной зоны и окружающей природной среды.

Токсичность сажи в суммарной токсичности всех остальных загрязняющих ингредиентов, содержащихся в выхлопных газах ЖРД, составляет около 65%.

2. Существующий в составе газоотводного тракта дожигатель выхлопных газов, рассчитанный на дожигание окиси углерода и водорода, в силу функциональных недостатков проектной схемы ввода кислорода на дожигание, исключает возможность организации выгорания дисперсных частиц твердого углерода (сажи).

3. Предложена концепция образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе «ЖРД - газоотводной тракт», отождествляющая эти процессы с пиролизом углеводородов ракетного горючего при дефиците кислорода в пристеночном слое камеры сгорания двигателя и в сажеобразующих зонах газоотводного тракта при отсутствии в них условий для выгорания образовавшейся сажи.

4. Разработана конструкция прямоточного устройства для отбора проб сажи из пограничного слоя высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале диффузора ГОТ.

5. Получены аналитические данные фракционного, дисперсного состава и формы уловленных частиц. Анализ этих данных позволяет считать, что камера сгорания двигателя является основным источником выброса сажи и несгоревших углеводородов в газоотводной тракт.

6. Экспериментально подтверждена возможность организации выгорания сажи при вводе кислорода в пограничный слой выхлопной струи на участке сверхзвукового течения в горле диффузора.

7. Предложены и частично апробированы (с положительным эффектом) в экспериментах на стенде три варианта конструктивных решений по вводу кислорода для выгорания сажи на входе выхлопного диффузора, в непосредственной близости от среза сопла ЖРД.

1. Левашенко Г.И., Симоньков С.В., Анцулевич В.И. Определение размеров и содержания частиц сажи в продуктах сгорания керосина. ФГВ. 1986. №6. С. 108-111.

2. Гюльмисарян Т.Г. Технология производства технического углерода (сажи). М. Московский институт нефтехимической и газовой промышленности. 1979. С. 8-41.

3. Бакиров Ф.Г., Захаров В.М., Полшцук И.З. и др. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив. М: Машиностроение, 1989. С.128.

4. Heynes B.S., Wagner H.G. Soot formation II Progress in energy and combustion science. 1981. Vol. №4. C. 229-273.

5. Хироясу X. Механизм образования сажи. Образование сажи и горение.// Кикай но кэнкю.1980.Т. 32. С. 263-269.

6. ГН-2.1.6695-98. Гигиенический норматив. ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

7. Канило П.М. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода. Киев. Наукова думка. 1982.

8. Крестинин А.В., Кислов М.Б., Раевский А.В. и др. К вопросу о механизме образования сажевых частиц.// Кинетика и катализ. 2000. Т. 41, № I С. 102-111.

9. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. М. Химия. 1972. С. 136.

10. Теснер П.А. Образование сажи при горении.// ФГВ. 1979. Т. 15 № 2. С.3-14.

11. Macfarlan Y.Y., Holderness F.S. Soot formation rates in premixed C5 and C6 hidrocarbon air flames up to 20 atm.// Combustion and flame. 1964. Vol. 8. №3 P. C.215-229.

12. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М: Мир, 1986. С.566.

13. Гафуров Р.А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках. М., Машиностроение, 1991. С.267.

14. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа, 1967. С.675.

15. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1980. С.533.

16. Дубинский A.M., Миронов В.М., Широков Н.Н. и др. Экспериментальное моделирование стационарных и нестационарных процессов в элементах выхлопного тракта стендов для испытания двигателя РД-170. М., НИИТП. НТО. 1988.

17. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. К вопросу о сажеобразовании и выбросе сажи в процессе огневых испытаний ЖРД на стендах закрытого типа.// Труды ГДЛ-ОКБ. №19. М.: 2001. С. 251-254.

18. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. Экологические аспекты проведения огневых испытаний жидкостных ракетных двигателей большой мощности на стендах закрытого типа. "Труды ГДЛ-ОКБ" № 18 М. 2000. С.334-353.

19. Худяков В.Н. Снижение выброса сажи при огневых испытаниях ЖРД на стендах закрытого типа.// Труды ГДЛ-ОКБ № 20. М.: 2002. С. 259275.

20. Важинский Г.А., Гафуров Р.А., Сафин Д.Н., Усанов И.А. Устройство для отбора проб газа из сверхзвукового высокотемпературного потока. А.с. №1006965. 23.03.83. Б.И. 1983. № II.

21. Иванов Н.Н., Петропавлов А.А., Худяков В.Н. и др. Прямоточное уст-рйство для отборов дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках. Патент № 2108559. Приоритет изобретения 8 ноября 1995г.

22. V. KHUDYAKOV, N. USHKOV. LPRE Fire Test Facility of NPO Energomash and Ecological Aspects. 6-th International Simposium."Propulsion For Space Transportation of the XXI-th century". 14-17 May 2002. Palais des Congres, Versailles France.

23. Каменский С.Д. Диффузия от кольцевого источника при малых числах Фурье в пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями, частный случай: (защитная завеса в камере ЖРД). // Труды ГДЛ-ОКБ. №20 М.: 2002. С. 72-83.

24. Шишков А.А., Селин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М. Машиностроение. 1985. 205 С.

25. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пы-лей и измельченных материалов. JI. Химия. 1987.

26. Кандоба JI.H., Клепиков И.А., Федоров В.В., Цветова А.В. Пути повышения теплосъема с камеры ЖРД теплоносителем, обеспечивающим работу турбины. // Труды ГДЛ-ОКБ. № 20 М.:2002. С. 98-110.

27. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. Экологические аспекты проведения огневых испытаний ЖРД большой мощности на стендах закрытого типа.// Двигатель. № 4 (16). 2001. С. 2- 4.

28. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М. "Наука". 1969. С.824.