Проточный реактор как инструмент экспериментального исследования процессов преобразования СЖРТ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.453

ПРОТОЧНЫЙ РЕАКТОР КАК ИНСТРУМЕНТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СЖРТ

© 2009 В. Е. Нигодюк, А. В. Сулинов

Самарский государственный аэрокосмический университет

Предложен метод проточного реактора, позволяющий исследовать при различных граничных условиях закономерности протекания и параметры различных стадий преобразования топлива: время индукции жидкофазных реакций СЖРТ, время индукции газофазных реакций, степень газификации и эффективность преобразования СЖРТ, влияние жидкофазного смешения компонентов на процессы преобразования топлива, особенностей течения и взаимодействия жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов преобразования, давления в реакторе.

Процессы преобразования топлива, самовоспламеняющиеся жидкие ракетные топлива, метод проточного реактора, коэффициент полноты преобразования топлива, степень газификации топлива

Исследование процессов преобразования самовоспламеняющихся жидких ракетных топлив (СЖРТ), для которых характерны необходимость организации взаимодействия компонентов в жидкой фазе (в виде струй, пелен и др.), быстропротекающие экзотермические химические реакции в жидкой фазе, образование жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов (ЖФПП и Г ФПП), ограниченное и очень малое время пребывания топлива в камере сгорания [1, 2] представляют как прикладной, так и научный интерес.

Изучение процессов преобразования СЖРТ, прежде всего, представляет интерес с точки зрения эффективной организации внутрикамерных рабочих процессов в жидкостных ракетных двигателях и в особенности в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ). Анализ результатов исследований рабочего процесса ЖРДМТ [2, 3] показывает, что ведущую роль в этом при использовании самовоспламеняющихся компонентов топлива играет организация жидкофазного взаимодействия компонентов как при запуске двигателя и его работе в импульсном режиме, так и на непрерывном режиме. Поэтому важным представляяется изучение кинетических характеристик преобразования топлива при жидкофазном взаимодействии компонентов с целью их использования при проектировании высокоэффективных ЖРДМТ.

С точки зрения научной стороны вопроса в теории горения различных топлив изучение особенностей организации жидкофазного взаимодействия компонентов и его влияния на процессы преобразования топлива в такой постановке до сих пор не рассматривались и фактически отсутствуют материалы по изучаемой проблеме.

В научно-исследовательском центре космической энергетики (ОНИЛ-2) СГАУ для изучения физико-химических закономерностей процессов преобразования СЖРТ разработан и апробирован экспериментальный метод, в котором использован так называемый проточный химический реактор.

Сущность предложенного экспериментального метода проточного реактора состоит в следующем.

В проточном реакторе с помощью смесительного элемента обеспечивается подача, организация жидкофазного взаимодействия самовоспламеняющихся компонентов топлива на входе в канал реактора и создание определенной структуры потока продуктов преобразования топлива по поперечному сечению канала реактора. Течение ЖФПП и ГФПП реализуется таким образом, чтобы перемещение жидкофазных продуктов происходило по стенке канала реактора, а течение ГФПП и происходящие в них химические процессы происходят практически при одномерном движении газового потока. При этом отсутствует охлаждающее влияние на

последующие процессы преобразования СЖРТ как подаваемых смесителем жидких компонентов топлива, так и образующихся порций ГФПП.

Путем изменения длины канала реактора можно изменять время пребывания ЖФПП и ГФПП в канале реактора и исследовать в стационарных условиях различные стадии преобразования СЖРТ. Обеспечивая соответствующие времена пребывания продуктов преобразования топлива и создавая необходимые граничные условия протекания процессов преобразования за счет изменения геометрии смесительного элемента и канала реактора, а также режимных параметров (давления, массовой скорости), с помощью метода проточного реактора можно изучить влияние различных факторов на протекание процесса преобразования СЖРТ и, прежде всего, на процессы жидкофазного взаимодействия компонентов.

В процессе эксперимента с использованием метода проточного реактора измеряются усилие (тяга), создаваемое реактором, расходы компонентов топлива и параметры продуктов преобразования СЖРТ: статическое и полное давления газов в канале реактора, температуры газофазных и жидкофазных промежуточных продуктов преобразования, причем измерение параметров продуктов преобразования может проводится как в выходном его сечении, так и по длине канала реактора. Исследование процессов преобразования СЖРТ осуществляется в вакуумной камере (при давлениях не более 100 Па) для полной имитации рабочего процесса ЖРДМТ.

В качестве смесительного элемента проточного реактора могут использоваться различные типы смесительных элементов: плоские и кольцевые клиновые смесительные элементы, соударяющиеся струйные форсунки, двухкомпонентные центробежные форсунки и другие. Соответственно канал проточного реактора может представлять собой канал с плоским, кольцевым, круговым и возможно другим поперечным сечением.

Предложенный метод проточного реактора позволяет исследовать при различных граничных условиях закономерности проте-

кания и параметры различных стадий преобразования топлива: время индукции жидкофазных реакций СЖРТ, время индукции газофазных реакций, степень газификации и эффективность преобразования СЖРТ, влияние жидкофазного смешения компонентов на процессы преобразования топлива, особенностей течения и взаимодействия жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов преобразования, давления в реакторе. Результаты, полученные с помощью метода проточного реактора на стационарных режимах, можно будет использовать для описания динамических моделей преобразования СЖРТ, в частности для создания модели внутрикамерного рабочего процесса ЖРДМТ в импульсном режиме работы.

Для анализа и обобщения экспериментальных данных авторами была разработана методика обработки экспериментальных данных, позволяющая определять следующие параметры.

1. Параметры эффективности преобразования топлива:

1.1. При определении параметров преобразования топлива в выходном сечении канала проточного реактора.

Эффективная скорость истечения продуктов преобразования СЖРТ из канала проточного реактора

вых _ Рп Рк ^к

Е тъ ’

где Рп - усилие (пустотная тяга), создаваемая реактором в пустоте; рк - статическое давление газофазных продуктов в выходном сечении канала реактора; Гк - площадь выходного сечения канала реактора; - массовый

расход топлива.

Коэффициент полноты преобразования топлива

Ш _ г () » ^¿1

(ад*),' •

в этом выражении - теоретическая скорость истечения продуктов преобразования СЖРТ; ггф - степень газификации топлива;

(КкТ*) и (ЯкТ*)( - соответственно действительные и теоретические значения газовой постоянной и температуры газофазных про-

дуктов преобразования топлива. Теоретические значения параметров преобразования топлива определяются в результате термодинамического расчета [4].

Степень газификации топлива вычислялась с помощью соотношения

Жвых - Шжфвых)

т

2гф

гф

(Жгфвых - Жж

ж х)

гф жф

ттг вых хт т вых

в котором УГгф и УГжф - скорости течения

соответственно газофазных и жидкофазных промежуточных продуктов в выходном сечении канала проточного реактора.

Скорость течения газофазных промежуточных продуктов в выходном сечении канала проточного реактора определялась из соотношения для критического режима истечения газофазных продуктов, характерного для проводимого эксперимента - давление в вакуумной камере не превышало 100 Па:

Ж

гф

V

2п

(ях),

(п+1)

где п - показатель политропы, вычисляемый из соотношения, характерного для критиче-

ского режима истечения

( п-1) Ґ Рк Л п

2

(п+1)5

р* - полное давление газофазных продуктов в выходном сечении канала реактора.

На стадии (режиме) парогазогенерации (до воспламенения топлива) действительная газовая постоянная согласно экспериментальным данным для двухкомпонентного самовоспламеняющегося жидкого ракетного топлива: окислитель - четырехокись азота и горючее гидразинового ряда, - принималась равной Якпар = 185 Дж/кг-К. На стадии (режиме) горения действительная газовая постоянная находилась из выражения

т * 2

кпарф к

ту ______ кпарт кгор ту

кгор ггг* 2 кпар ’

Т-орУ,

параметры с индексом

кгор кпар

«пар» относятся к стадии парогазогенерации, параметры с индексом «гор» относятся к стадии горения.

Скорость течения жидкофазных промежуточных продуктов в выходном сечении канала проточного реактора в первом приближении принималась равной суммарной

скорости жидких компонентов топлива на выходе из смесителя:

Ж

жф

= Жм. =

Ж г + Ж

см см

2

Индексы «г» и «ок» - линии горючего и окислителя на выходе из смесителя.

1.2. При определении параметров преобразования топлива по длине канала проточного реактора.

Коэффициент полноты преобразования топлива

Фк (х) = 2.

гф -

(ЯХ) _ А(п)рукд(Кп)

(ЯТ*),

т,

МХг),

где А(п) =

Ч (п+1)/(п-1)

пі

п + 1

)=К.

(п+1)

п-1

К

1

(п-1)

2 ^ п +1

к=Лі - (¡р.. / р*)(”-,)/п ] ■

В этих соотношениях параметры продуктов преобразования топлива: статическое и полное давления, температура ГФПП - параметры по длине канала проточного реактора, зависящие от осевой координаты реактора «х».

Степень газификации топлива вычислялась с помощью выражения

гф

= У к /

(ЯХ)

(ЯХ \

2. Времена пребывания газофазных и жидкофазных продуктов в канале проточного реактора.

Время пребывания газофазных продуктов в канале определялось из соотношения !„

тгф =

пр

где Жгф (х) =

£ ж* (х)

II

2п

(ЯХ )[і - (Рк / р*)("-|)' ’ ]

(П +1)

или скорость ГФПП, аппроксимируется эмпирической зависимостью Жгф (х) _ ахт + Ь , где а, Ь, т - постоянные коэффициенты.

Время пребывания жидкофазных продуктов в канале

ок

вых

2

вых

Тжф = пр к

l.

> Жжф (х) = Жсм = const.

Л,' ^жф (х)

3. Эффективность жидкофазного смешения компонентов СЖРТ.

Коэффициент эффективности жидкофазного смешения компонентов находился из выражения

_ 2^-"/3(0)• т,(0)-[5,(0)/5(0)]/0

Рср • т Е

в котором 0 - полярная угловая координата; Ьср и Ь(0)- среднее и локальное значения

расходного комплекса; гігЕ (0) - локальное значение массового расхода топлива; 5* (0) -толщина слоя смешения в жидкой фазе; 5е (0) - суммарная толщина пленок горючего и окислителя.

4. В завершение расчета параметров оце-

* гф

нивалась величина комплекса рктпр , характеризующего процессы преобразования газофазных продуктов.

Предложенный метод проточного реактора был апробирован на высотном огневом стенде. Некоторые результаты указанных исследований с помощью метода проточного реактора представлены в [5]. В частности, один из проточных реакторов был выполнен с плоским клиновым смесительным элементом и имеющим канал прямоугольного сечения. Размеры канала прямоугольного сечения не изменялись по длине канала реактора и были следующими: ширина 10 мм, высота 2 мм, длина канала варьировалась в диапазоне от 1,2 до 62,5 мм, что соответствовало изменению приведенной длины реактора (по аналогии с приведенной длиной камеры сгорания ЖРД) от 0,0012 до 0,0625 м. Для исследования влияния на процессы преобразования СЖРТ газодинамических факторов и величины давления в канале рассматривались варианты реактора с постоянной по длине высотой канала 4 мм и суженной в выходном сечении канала реактора с переходом с 4 мм на 2 мм. Изучался вариант независимого преобразования друг от друга ЖФПП и ГФПП путем разделения с помощью пластины канала реактора вдоль его оси, после небольшого общего начального участка на входе в реактор.

Библиографический список

1. Неустойчивость горения в ЖРД/ под ред. Д.Т. Харье и Ф.Г. Рирдона. - М.: Мир, 1975. - 870 с.

2. Дубинкин, Ю.М. Проблемы организации рабочего процесса жидкостных ракетных двигателей малой тяги/ Ю.М. Дубинкин, В.Е. Нигодюк // Известия вузов. Авиационная техника.- 1993. - № 2.-

C. 71... 74.

3. Нигодюк, В.Е. Некоторые пути повышения эффективности ЖРДМТ на самовоспламеняющихся компонентах топлива/ В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: матер. междунар. научно-техн. конф. -Ч. 1. Самара: СГАУ, 2006-С. 27-29.

4. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник: в 10 т./ под ред. акад. В.П. Глушко. - М.: ВИНИТИ АН СССР - 19711979.

5. Нигодюк, В.Е. Исследование закономерностей преобразования самовоспламеняющегося жидкого ракетного топлива/ В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения / Матер. междунар. научно-техн. конф.- Ч. 1. -Самара: СГАУ.- 2006- С. 29-31.

References

1. Instability of burning in ZHRD/Under

D.T.Hare and F.G.Rirdona's edition. - М, the World, 1975. - 870 with.

2. Dubinkin J.M., Nigodjuk V. E. Problems

of the organisation of working process of liquid rocket engines of small draught//News of HIGH SCHOOLS. Aviation that-nika. 1993. № 2, with. 71 . 74.

3. Nigodjuk V. E, Sulinov A.V. Some of a way of increase of efficiency liquid rocket engine of small draught on self-igniting components of fuel//Problems and prospects of development dvigate-lestroenija/materials of the international scientific and technical conference. A part 1. Samara: SSAU, 2006, with. 27-29.

4. Thermodynamic and teplofizicheskie properties of products of combustion. The directory in 10 volumes / Under the editorship of акад. V.P.Glushko. - М: VINITI АН the USSR, 1971-1979.

5. Nigodjuk V. E, Sulinov A.V. Research national scientific and technical conference. A of laws of transformation of self-igniting liquid part 1. Samara: SSAU, 2006, with. 29-31. rocket fuel.//Problems and development prospects dvi-gatelestroenija / Materials of the interTHE FLOWING REACTOR AS THE TOOL OF AN EXPERIMENTAL RESEARCH OF PROCESSES OF TRANSFORMATION SELF-IGNITING LIQUID ROCKET FUEL

©2009 V. E. Nigodjuk, A. V. Sulinov Samara State Aerospace University

The method of the flowing reactor for experimental issledo-vanija processes of transformation self-igniting liquid rocket fuel is offered and approved. The given method allows to investigate initial stages of processes of transformation of fuel and a fashion-lirovat influence on them of various boundary conditions, first of all influences is effective-sti mixtures in a liquid phase of components.

Processes of transformation of the fuel, self-igniting liquid rocket fuel, a method of the flowing reactor, factor of completeness of transformation offuel, degree of gasification offuel

Информация об авторах

Нигодюк Валентин Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры Теории двигателей летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета. Тел. (846) 335-59-21. Е-mail: engin@ssau.ru. Область научных интересов: исследование рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов.

Сулинов Александр Васильевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра космической энергетики Самарского государственного аэрокосмического университета. Тел. (846) 335-59-21. Е-mail: engin@ssau.ru. Область научных интересов: исследование рабочего процесса в двигателях летательных аппаратов.

Nigodjuk Valentine Evgenevich, Candidate of Technical Science, the senior lecturer of The theory of engines of flying machines department of Samara state aerospace university. Phone: (846) 335-59-21. Е-mail: engin@ssau.ru. Area of research: working process in engines.

Sulinov Alexander Vasilevich, Candidate of Technical Science, the senior scientific employee of Scientifically-issledovatelky the centre of space power of Samara state aerospace university. Phone: (846) 335-59-21. Е-mail - engin@ssau.ru. Area of research: working process in engines.