CC BY
258
УДК 629.29.01
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСКЛЮЧЕНИЯ САЖЕОБРАЗОВАНИЯ В КИСЛОРОДНО-КЕРОСИНОВОМ ЖИДКОСТНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ
И.А. Акиньшин, Д.Ю. Анчуков, В.Д. Горохов, В.В. Голубятник
В статье приведены результаты оценки методов очистки кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя, выполненного по схеме без дожигания, от сажи, присутствующей в восстановительном газогенераторе Ключевые слова: ракетный двигатель, сажа, керосин, испытания
При работе кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) в восстановительном газогенераторе происходит образование твердых углеродистых отложений (сажи), которые накапливаются на внутренних поверхностях газового тракта и могут влиять на характеристики всей силовой установки.
Например, кислородно - керосиновый жидкостный ракетный двигатель РД0110, успешно эксплуатируемый в течение нескольких десятилетий в составе III ступени ракетоносителя «Союз», выполнен по схеме без дожигания с восстановительным газогенератором (ГГ), продукты сгорания из которого после срабатывания на турбине выбрасываются в окружающую среду через рулевые сопла.
Общий вид жидкостного ракетного двигателя показан на рис. 1.
Рис. 1. Кислородно-керосиновый жидкостный ракетный двигатель РД0110
Акиньшин Иван Александрович - ВГТУ, аспирант, КБХА, инженер-конструктор, е-шаП: [email protected] Анчуков Дмитрий Юрьевич - КБХА, ведущий конструктор, тел. (473) 234-64-93
Горохов Виктор Дмитриевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, КБХА, заместитель генерального конструктора, е-таП: [email protected].
Голубятник Вячеслав Васильевич - КБХА, канд. техн. Наук, начальник бригады, е-тай: [email protected]
Двигатель имеет 4 камеры сгорания (КС), 4 рулевых сопла, систему подачи топлива и другие агрегаты. Параметры ЖРД РД0110 приведены в таблице.
Параметры ЖРД РД011 0
№ Наименование параметра Значение
1 Тяга двигателя, кН 294,2
2 Тяга рулевых сопел, кН 6,076
3 Давление в КС, МПа 6,95
4 Давление в ГГ, МПа 5,9
5 Соотношение компонентов в ГГ 0,36
6 Температура в ГГ, К 1032
7 Время работы, с 250
8 Марка керосина Т1
При работе двигателя возникают следующие эксплуатационные проблемы:
1. На внутренних стенках конструктивных элементов агрегатов ЖРД РД0110, формирующих газовый тракт двигателя (газогенератор, турбина, камера сгорания, сопла выхлопа, теплообменник, газификаторы), происходит осаждение и накопление сажи.
2. Твердые углеродистые отложения оказывают отрицательное влияние на рабочие параметры ракетного двигателя:
- возрастает давление в газогенераторе;
- происходит подработка регулятора системы поддержания давления в КС;
- увеличивается давление в линии отбора газа на наддув бака горючего.
3. Степень влияния сажи на параметры двигателя зависит от времени его работы.
4. При работе на керосине марки Т-1С количество осажденной сажи возрастает примерно в 1,5 раза по сравнению с маркой керосина Т-1.
На рис. 2 представлены типовые графики изменения давлений в газогенераторе (1) и перед форсунками горючего КС (2) полученные при летных испытаниях.
Аналогичные изменения имеют место при контрольных испытаниях на предприятии-
испытателе ЖРД, проводимых перед поставкой двигателя на предприятие, осуществляющее сборку ракеты-носителя.
Рис. 2. Графики давления в газогенераторе и перед форсунками горючего КС
Согласно [1] наличие положительного тренда по давлению (рис. 2) в газогенераторе (1) объясняется постепенным загромождением проходного сечения соплового аппарата турбины сажей (при постоянном или даже уменьшающемся расходе газа). При этом, отсутствие заметного тренда по давлению (2) перед форсунками горючего КС (рис. 2) объясняется подработкой в сторону дросселирования регулятора, исполняющего команды системы управления, поддерживающей с помощью датчика обратной связи давление в КС.
Аналогично изменению параметра давлений в газогенераторе и КС наблюдается изменение давления газа наддува бака горючего после теплообменника (рис. 3).
Исходя из геометрии соплового аппарата турбины (12 сопел с диаметром по 8 мм) специалистами КБХА теоретически определена осредненная скорость оседания на нем сажи, которая составляет ~ 0,5 мкм/с [1]. Такая скорость оседания является существенным отрицательным фактором для ЖРД открытых схем с большим ресурсом работы.
Специалистами ОАО КБХА была сконструирована система улавливания сажи в газе наддува при проведении испытания ЖРД РД0110 длительностью 60 с.
Рис. 3. График давления в линии наддува бака горючего
При экспериментальной отработке было выявлено, что общая масса сажи, собранная при испытании изделия, составляет 0,174 кг.
Таким образом, задача по исключению (снижению) уровня сажи в элементах ЖРД является актуальной и требует неотложного решения.
По теоретической оценке, приведенной в литературе [2], и получившей подтверждение авторами статьи, при проведении огневых испытаний двигателя, процесс сажеобразования проходит в ряд этапов:
- пиролиз горючего и реакции окислителя;
- образование бензола;
- образование полициклических ароматических углеводородов;
- зарождение первых частиц, рост частиц сажи, благодаря реакции с продуктами сгорания;
- агломерация сажевых частиц и их окислов.
В настоящий момент при производстве жидкостных ракетных двигателей применяются следующие методы очистки агрегатов ЖРД от сажевых отложений:
1. Механическая очистка при помощи моющих средств;
2. Криобластинг;
3. Балластировка водой газогенератора во время испытания двигателя.
4. Добавление антисажевых присадок.
5. Обдувка поверхностей покрытых сажей сернокислым калием.
6. Замещение горючего (керосина) на водно-спиртовой раствор.
Механический метод используется для очистки форсунок и КС, при этом применяют моющие средства. Например, данный метод используется для очистки от сажи сопел КС в
составе ЖРД РД0124 после огневых испытаний, в том числе без переборки конструкции двигателя.
Второй метод очистки внутренних полостей ЖРД - криогенный бластинг.
Криобластинг - это метод очистки поверхности от загрязнений направленным потоком сжатого воздуха с добавлением гранул переохлажденного диоксида углерода. Метод основан на энергии, выделяемой частицами при их соударении с загрязненной поверхностью.
Переохлажденный диоксид углерода является безабразивным материалом и не повреждает очищаемую поверхность. Для осуществления этого метода очистки применяются импортные мобильные агрегаты типа «Triblast-2», снабженные различными насадками - распылителями.
Третий метод очистки агрегатов ЖРД от сажи заключается в применении воды для балластировки кислородно-керосинового газогенератора, необходимого для получения заданной температуры смеси продуктов сгорания с паром.
Авторами были проведены предварительные расчеты [4], которые показали, что при температуре 1350 К наблюдается состав конденсированной фазы углерода порядка 19 процентов, а при температуре 2100 К и выше сажа полностью отсутствует в продуктах горения.
Результаты предварительных расчетов [3] показаны на рисунках 4-7 в графическом виде.
Согласно проведенным вычислениям и оценки построенных диаграмм (рис. 4 - 7) подтверждено, что балластировка кислородно-керосинового газогенератора водой препятствует сажеобразованию и, одновременно, приводит к увеличению удельного импульса.
В 1985 году фирмой «Aerojet TechSystem Company» (США) было проведено огневое испытание кислородно-керосиновой модельной ракетной КС с замещением горючего при останове на раствор спирта в воде.
Проведенные исследования подтвердили возможность очистки внутренних полостей горючего и газового тракта двигателя, путем
внедрения останова ЖРД на спиртовом растворе.
Однако, результаты испытаний в полной мере не удовлетворяют специалистов ракетно-космической отрасли.
В ОАО КБХА отрабатывалась возможность комплексной очистки газогенератора и КС ЖРД сочетанием разных методов удаления сажи: криобластинг и механическая очистка с применением моющих средств.
Рассматривался вариант замены после контрольного испытания газового тракта от турбины до рулевых сопел без разборки ЖРД.
ж
0,9
0,8 р=
= 0,7
Р 0,6
с=
3 0,5
S
т 0,4
ЕЕ °з
се
* 0,2
d.
(D
од о
о
Температура, К
„С?
Рис. 4. График содержания углерода в зависимости от температуры в газогенераторе
Рис. 5. Зависимость процентного содержания воды в топливе от температуры в газогенераторе
1500 2100 Температура. К Рис. 6. Зависимость изменения газовой постоянной от содержания воды в топливе
Рис. 7. Зависимость повышения удельного импульса от увеличения газовой постоянной
Однако вышеприведенные методы очистки не позволяют в полном объеме решить задачу по исключению сажеобразования в газовых трактах кислородно-керосиновых ЖРД.
Таким образом, специалистами космической отрасли, проектирующими жидкостные ракетные двигатели, не разработаны конструктивные элементы кислородно-керосинового ЖРД открытой схемы, которые гарантировано обеспечивали надежную работоспособность без переборки конструкции двигателя после контрольного испытания с целью очистки элементов газового тракта от сажи.
Направления дальнейших исследований заключаются в решении ряда научных и технических задач:
- использование присадок к топливу для снижения (исключения) сажеобразования;
- применение при проведении контрольных испытаний в газогенераторе компонентов топлива жидкий кислород и спирт, не образующих при горении сажеобразующих элементов;
- разработка конструктивных решений, обеспечивающих возможность очистки ГГ и
КС в составе двигателя, а также разделения очищенной полости и загрязненной от сажи турбины турбонасосного агрегата.
- проектирование газогенератора, использующего термодинамический цикл V = const, при котором, за счет обеспечения высокой полноты горения и оптимального соотношения компонентов, не образуется сажа.
Таким образом, в результате проведенного предварительного исследования сделаем следующие выводы:
1. Обозначена нерешенная задача по предотвращению сажеобразования в газовых трактах кислородно-керосиновых жидкостных ракетных двигателей с восстановительным газогенератором.
2. Приведены основные методы очистки ЖРД от сажевых отложений: механический, криобластинг и балластировка газогенератора водой, освоенные промышленными предприятиями - разработчиками ракетно - космической техники.
3. Получены расчетные данные по балластировке кислородно-керосинового восстановительного газогенератора водой, приводящие к снижению сажеобразования при огневых испытаниях.
4. Приведены направления дальнейших исследований в области исключения сажеобразо-вания в газовых трактах кислородно - керосиновых двигателей.
Литература
1. Научно-технический юбилейный сборник. КБ хи-мавтоматики: В 3 т. Т.1 - ИПФ «Воронеж», 2011. - 800 с.
2. Образование сажи при горении. ФГВ. 1979, Т15 № 2 с. 3-14.
3. Теория ракетных двигателей. Москва, Машиностроение, 1980, 533 с.
4. Акиньшин И. А. Разработка ЖРД на компонентах кислород-керосин тягой 30 т, дипломная работа ВГТУ, Воронеж, 2013, - 132 с.
ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» (г. Воронеж) Воронежский государственный технический университет
SETTLEMENT AND ANALYTICAL ASSESSMENT OF CARBON BLACK ON DATA LRE OPEN PROTOCOL RUNNING ON FUEL KEROSENE-OXYGEN
I.A. Akinshin, D.Y. Anchukov, V.D. Gorokhov, V.V. Golubyatnik
The methods of purification of oxygen-kerosene propellant rocket engine with soot present in the reducing gas generator, made according to the scheme without burning
Key words: rocket engine, soot, kerosene, test
