CC BY
57
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Экспериментальные исследования эффективности применения каталитических блоков в малогабаритных газогенераторах на оксиде диазота с резонансной системой инициирования рабочего процесса. # 04, апрель 2014 DOI: 10.7463/0414.0705122 Арефьев К. Ю., Воронецкий А. В.
УДК 621.453/.457
Россия, МГТУ им Баумана arefvev Йг ambler.ru. voronf5;bmstu.ru
В статье отражены результаты работы, которая является продолжением исследования [1], направленного на повышение эффективности малогабаритных газогенераторов (МГГ) с перспективной резонансной газодинамической системой (РГС) инициирования процесса разложения оксида диазота (N2O). Актуальность данной тематики определяется тем, что в настоящее время МГГ на оксиде диазота в качестве унитарного топлива (УТ) уже нашли применение в авиационно-космической технике, в частности в различных энергосиловых установках. В работе [1] было показано, что использование РГС для инициирования процесса разложения оксида диазота имеет ощутимые преимущества по сравнению с традиционными методами.
Особенностью оксида диазота является возможность разложения с выделением тепловой энергии (82 кДж/моль). Инициирование разложения может быть обеспечено локальным превышением температурной границы деструкции вещества. Следует отметить, что применение каталитических элементов позволяет существенно снизить значение температуры деструкции N2O.
Проточный тракт РГС (рис. 1) состоит из сверхзвукового сопла 1 и полуоткрытого резонатора с конфузорным входом 2, установленных на одной оси внутри камеры МГГ.
LS А
Рис. 1. Схема проточного тракта РГС: 1 - сопло; 2 - резонатор
Рабочий цикл РГС начинается после подачи через сопло газообразного N2O. При определенном соотношении геометрических и режимных параметров РГС в зоне за соплом 1 формируется область неустойчивого газодинамического течения, состоящая из "бочки" и диска Маха [2, 3]. В том случае, когда диск Маха локализуется в зоне входной кромки резонатора, в последнем возникают продольные автоколебания, поддерживаемые кинетической энергией подаваемого газа. При этом в застойной зоне резонатора осуществляется интенсивный нагрев [4] газообразного УТ. Выделение тепла происходит за счет высокочастотного циклического процесса прохождения и отражения от торцевой стенки резонатора ударных волн (УВ). Высокий уровень температур в резонансной полости приводит к термическому разложению УТ с выделением тепла и распространению данного процесса вверх по потоку с последующим запуском МГГ. Основными геометрическими параметрами, влияющими на работу РГС являются глубина резонансной полости 5, зазор между срезом сопла и входной кромкой резонатора Ь. В работе проведена оптимизация указанных геометрических параметров, которая позволила существенно увеличить температуру газа в застойной зоне резонансной полости.
Статья посвящена экспериментальному исследованию методов повышения эффективности работы МГГ с РГС, включающих применение каталитических блоков и первоначальный подогрев оксида диазота. Проведен сравнительный анализ и обобщение полученных результатов для трех вариантов РГС (таблица 1) в диапазоне начальных температуры N2O Т0=300...600 К. Схема проточного тракта МГГ с РГС представлена на рис. 2.
Таблица 1. Исследуемые варианты РГС
Вариант 1 Базовый, без каталитических блоков
Вариант 2 С торцевой поверхностью резонатора из каталитического материала
Вариант 3 С торцевой поверхностью резонатора из каталитического материала и предкамерным каталитическим блоком
1 2 3 45678 9
Рис. 2. Схема МГГ с РГС: 1 - ^О; 2 - электромагнитный клапан; 3 - сопло РГС; 4 - резонатор РГС; 5 - блок силовых пилонов; 6 - камера разложения МГГ; 7 - предкамерный каталитический блок; 8 - торцевая поверхность резонатора из каталитического материала; 9 - поток продуктов разложения
Для исследований процесса разложения оксида диазота в РГС разработан и подготовлен экспериментальный стенд, пневмогидравлическая схема (ПГС) которого представлена на рис. 3.
Рис. 3. ПГС экспериментального стенда: 1 - баллон с N20; 2 - манометр; 3 - редуктор с воздушным управлением; 4 - расходомерный участок; 5 - клапан подачи УТ; 6 - обратный клапан; 7 - линия подачи азота на продувку; 8 - электрический подогреватель; 9, 10 - датчики температуры и давления оксида диазота на входе в МГГ;11 - стендовый МГГ с РГС; 12 - датчик давления в камере МГГ; 13 - индикаторная термопара, установленная в струе продуктов разложения на удалении 500 мм от среза сопла МГГ; 14 - линия подачи
воды на проточное охлаждение
Подача рабочего компонента в процессе экспериментов осуществляется из баллона, где К20 находится под давлением насыщенных паров (5 МПа при 300 К). Для предварительного подогрева N2O использовался электрический подогреватель омического типа.
Для исследования нестационарных процессов внутри камеры разложения (КР) установлен пьезоэлектрический датчик пульсаций давления, а в ближней акустической зоне - микрофон. Помимо этого, стенд снабжен системами автоматического регулирования, сбора и обработки информации, а также видеорегистрацией. Внешний вид экспериментального стенда представлен на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид экспериментальной установки: 1 - стендовый МГГ с РГС; 2 - датчик пульсаций давления в камере МГГ; 3 - видеорегистратор; 4 - микрофон
Следует подчеркнуть, что геометрические параметры РГС стендового МГГ соответствуют оптимальным значениям, полученным при комплексном анализе результатов численного моделирования [1, 5] и модельных испытаний [6]. Основные геометрические соотношения имеют значения: £/©7=13, ЬЮ1=2, ©2/©7=2, ©3/©7=2, ©/©7=0,7. Предкамерный каталитический блок имеет протяженность 5 мм и пористость 0,9. Диапазон изменения давления УТ на входе в КР составляет 2,0...2,8 МПа.
Изменение давления рк в камере МГГ в процессе испытаний различных вариантов РГС при начальной температуре оксида диазота 70=291 К (без подогрева) и 70=575 К (с электрическим подогревом) представлены на рис. 5.
МПа
1Д5
0,75
0.5
0Д5
1 2 3
ИМ Л
д
\
•—_
04 0,3 1,2 1,6 t С
б
Рис. 5. Изменение давления в камере МГГ при 70=291 К (а) и 70=575 К (б):1 - вариант 1; 2 - вариант 2;
3 - вариант 3
Показателем эффективности работы РГС в качестве устройства запуска МГГ является время выхода на рабочий режим. В настоящей работе в качестве этого параметра используется интервал времени 1о,9, отсчитываемым с момента подачи ^О до момента, когда давление в камере разложения достигнет значения, соответствующего 90% от номинала.
Помимо статических данных, для диагностики рабочего процесса в МГГ могут быть использованы результаты измерения пульсаций давления, которые регистрируются датчиком и микрофоном. Данная методика заключается в определении показателей эффективности на основе анализа спектрограммы пульсаций давления (рис. 6), которая может быть получена с помощью преобразования Фурье. Применение спектрограмм для анализа характеристик рабочего процесса целесообразно в тех случаях, когда высокие уровни температур не позволяют проводить прямых измерений или эти измерения связаны с определенными техническими сложностями, обусловленными малыми габаритами и условиями эксплуатации МГГ.
а
/кГц
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 с Рис. 6. Спектрограмма пульсаций давления в КР МГГ
Пульсационный процесс возбуждается в РГС еще до начала разложения оксида диа-зота. На этом этапе спектрограмма имеет явно выраженные дискретные составляющие первой (/1=3344 Гц) и второй (/2=6388 Гц) гармоник колебания газа в резонаторе. После инициирования рабочего процесса в МГГ происходит качественная перестройка протекающего колебательного процесса. Исчезают пульсации давления в резонансной полости на частотах, соответствующих колебаниям газового столба и возникают высокоамплитудные пульсации давления, вызванные процессом разложения в МГГ. Характерные частоты этих колебаний определяются теплофизическими и газодинамическими параметрами газа, геометрическими размерами КР и граничными условиями в сечениях, ограничивающих ее объем. Область максимальных амплитуд спектральных составляющих на номинальном режиме работы МГГ соответствует диапазону частот /«5800...6200 Гц.
Показанный на рис. 6 интервал времени Ц отсчитывается с момента подачи в РГС оксида диазота до начала развитого процесса разложения, характеризующегося изменением спектральной составляющей и возбуждением колебаний с частотами, близкими к /п. Следует подчеркнуть, что р также как и ^,9, характеризует динамические характеристики МГГ, однако в общем случае Также на рис. 6 представлены составляющие спек-
тральной характеристики, соответствующие максимальным амплитудам пульсаций давления в МГГ: частоты первой (/1=0,25ар/5) и второй (/2=0,5ар/£) гармоник колебания газа в резонансной полости РГС при подаче N20, а также основная частота на номинальном режиме (/н). Здесь ар - осредненная скорость звука по длине резонатора, £ - глубина резонансной полости.
Расчетные [1] и экспериментальные зависимости t0,9 от температуры Т0 для различных вариантов РГС приведены на рис. 7. Как видно, РГС, выполненная в соответствии с вариантом №3, позволяет снизить t0,9 более чем на 35% (относительно базового варианта №1). Кроме того, на диаграммах нанесены значения р Показано, что характеры зависимостей ^ и t0,9 от Т0 аналогичны. Экспериментально зафиксированная разница между ^ и t0,9 составляет не более 0,1 с, что объясняется малыми размеры КР МГГ.
Повышение Т0 положительно сказывается на динамике запуска МГГ. Экспериментально получено, что для варианта РГС №3 при Т0=575 К выход на режим характеризуется периодами времени ^9-0,15 с и ^=0,11 с. 4.
0.4
0.2
■ ■ А -1 ■ А -2
к ■ А"-- ¥ ■ ш ■ -3
—1 |-
1
300 350 400 450 500 550 К
Рис. 7. Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные данные (■ - /о,р,А - р по влиянию начальной температуры N0 на интервал времени выхода на режим: 1 - вариант 1; 2 - вариант 2 ; 3 - вариант 3
В качестве показателя эффективности разложения N2O целесообразно использовать модифицированный коэффициент расходного комплекса ур, вычисляемый с помощью следующего уравнения:
Рэ -Р
Значения расходных комплексов соответствуют режимам истечения оксида диазота без разложения (в1) и с полным разложением (в2).
Теоретическое значение расходного комплекса для истечения без разложения N2O определяется по зависимости:
р1 " к+1 , 4 к+т ?^
где Я, к - газовая постоянная и показатель адиабаты газообразного оксида диазота соответственно.
Значения в2 получены с использованием программы "АСТРА" [7], предназначенной для моделирования равновесного термодинамического состояния различных систем. Расчеты проведены с учетом уровня первоначального подогрева оксида диазота.
Экспериментальные значения расходного комплекса определяются по формуле:
Рэ =
^кр Рк
т
Здесь ¥кр - площадь критического сечения сопла, ^с=0,98 - коэффициент расхода сопла, т - массовый расход оксида диазота. Значение рк соответствует номинальному режиму работы МГГ.
Частота пульсаций на номинальном режиме является функцией температуры газа в
КР, которая имеет вид /н = ^ 0 . Учитывая это, в данной работе для оценки эф-
2 • Ьк
фективности рабочего процесса в МГГ на основе спектральной характеристики используется критерий ф, вычисляемый согласно зависимости:
9 =
(2 • /н • Ьк )2 - к тд • Ятд • То ктд • Ктд •(Ттд - Т0 )
Здесь Ьк - характерная длина КР МГГ; ктд, Ятд, Ттд - расчетные значения показателя адиабаты, газовой постоянной и температуры продуктов разложения, определенные для термодинамически равновесного состояния.
Критерий ф характеризует отклонение реальной температуры газа в КР от расчетной. Учитывая, что давление в КР пропорционально квадратному корню от температуры продуктов разложения, в зависимости для вычисления ф введен показатель степени 0,5, что позволяет сравнивать значения ф и ур.
Результаты испытаний приведены на рис. 8. В эксперименте получены значения ув=0,87...0,97 и ф=0,85...0,96, что ниже расчетных на 5...15%. Это может быть объяснено достаточно интенсивным теплоотводом в проточную водяную систему охлаждения, а также принятыми в математической модели допущениями, не учитывающими конденсацию N20 при ее подаче в КР.
0.95
0,9
0.85
А ■ 1 ¿ -- А
II А ■ А ■ А ^
■ А -2 ■ * -з
300
350
400
450
500
550
Тш, К
Рис. 8. Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные данные (■ - - ф) по влиянию начальной температуры ^0 на полноту ее разложения: 1 - вариант 1; 2 - вариант 2 ; 3 - вариант 3
0.5
Заключение.
Применение каталитической торцевой стенки резонатора является эффективным методом интенсификации разложения N20, который обеспечивает снижение более чем на 35%. Установка предкамерного каталитического блока позволяет дополнительно ускорить выход на режим и увеличить на 5...7% полноту разложения N20. Повышение начальной температуры оксида диазота положительно влияет на эффективность МГГ, способствует снижению временному интервалу выхода на режим, а также росту полноты разложения N20.
Указанные методы интенсификации процесса разложения оксида диазота технологичны, работоспособны и могут быть применены в МГГ различного назначения. В том числе они могут использоваться в технологических установках для газодинамического напыления покрытий, абразивной резки и пескоструйной чистки материалов, а также в качестве устройств запуска энергетических и силовых установок большой мощности.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта 14-08-01118.
Список литературы
1. Арефьев К.Ю. Исследование методов интенсификации процесса разложения оксида азота в малогабаритных газогенераторах с резонансной газодинамической системой инициирования рабочего процесса // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 6. С. 60-65.
2. Антонов А.Н., Купцов В.М., Комаров В.В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. М.: Машиностроение, 1990. 272 с.
3. Угрюмов Е.А. Газодинамические процессы в генераторе Гартмана // Вестник Ленинградского университета. Физика. 1986. № 4. С. 30-37.
4. Дулов В.Г., Максимов В.П. Термический эффект резонатора Гартмана- Шпренгера в режиме высоких частот // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 1. Математика. Механика. Астрономия. 2005. № 4. С. 79-86.
5. Arefyev K.J., Berlov I.V., Zakharov V.S., Ilchenko M.A. Numerical and experimental investigation of the resonant system model sample gasdynamic ignition hight-temperature flow generator // International Conference on the Methods of Aerophysical Research: abstracts. Part 2. Kazan, Russia, 2012. С. 21-22.
6. Воронецкий А.В., Арефьев К.Ю., Ильченко М.А. Экспериментальные исследования характеристик газодинамической системы воспламенения топливной смеси применительно к ЖРД малой тяги // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 10. Режим доступа: http://engjournal.ru/catalog/machin/energy/385.html (дата обращения 01.03.2014).
7. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах "Астра". М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 40 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Experimentally investigating efficiency of using the catalytic blocks
in a small N2O gas-generators with resonant initiation system
# 04, April 2014
DOI: 10.7463/0414.0705122
K.Yu. Arefev, A.V. Voroneckii
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
arefvev '5rambler.ru voron ffibmstu .ru
The object of research work are small gasifiers (SGF ) to nitrous oxide(N2O) gas-dynamic resonance system (GRS) initiate the workflow. Subject of research - methods to improve the efficiency of the SGF . Relevance of the work is determined by what is currently on the SGF as nitrous oxidemonopropellant are widely used in aerospace engineering, in particular in various power plant and increasing the efficiency of decomposition of N2O is an important scientific and technical challenge .
Duty cycle begins after the SGF through the nozzle GRS gas N2O. At a certain ratio geometrical and operational parameters of the SGF in the area of the nozzle is formed GRS unstable region gasdynamic flow consisting of "holes" and the Mach disk . In the case where the Mach disk is localized in the leading edge cavity , mounted coaxially with the nozzle GRS longitudinal oscillations occur supported kinetic energy of the feed gas . In this case, stagnant zone of the resonator is carried out intensive heating nitrous oxidegas . The heat release is due to the high frequency of the cyclic process of transmission and reflection from the end wall of the cavity shock waves (SW) . The high temperature level in the resonant cavity causes the thermal decomposition of N2O with the evolution of heat and the spread of this upstream process and then run the SGF .
The aim is to improve the methods of experimental study of the effectiveness of the SGF with the GRS , including the use of catalytic converters and original heating nitrous oxide. The objectives of the study is to determine the characteristics , comparative analysis and synthesis of the results obtained for the three variants of the GRS (without catalytic converters , with the end surface of the cavity of the catalytic material , the end surface of the cavity of the catalytic material and the catalyst unit IDI ) when the initial temperature of N2O in the range of initial temperature 300 ... 600 K.
The paper presents a diagram of the experimental facility and stand for research, as well as the method of determining the completeness of the decomposition of nitrous oxideand time- SGF
nominal mode . The proposed technique is to identify performance indicators based on spectrogram analysis of pressure fluctuations , which can be obtained by Fourier transformation . Application spectrograms to analyze the characteristics of the workflow is advisable in cases where high levels of temperatures do not allow direct measurements or these measurements associated with certain technical difficulties caused by small dimensions and operating conditions of the SGF .
In accordance with the results obtained , we can draw the following conclusions . Use of the catalyst of the end wall of the cavity is an effective method of intensifying the decomposition N2O, which reduces the time for the output mode is more than 35 %. Installing the pre- catalyst unit can further accelerate out SGF mode and increase by 5 ... 7% completeness decomposition N2O. Increasing the initial temperature of nitrous oxidehas a positive effect on the efficiency of the SGF , helping to reduce time-to- nominal conditions , as well as increase the completeness of decomposition N2O. These methods of intensifying the process of decomposition of nitrous oxidetechnological, functional and can be used for various purposes in the SGF . In particular they can be used in industrial plants for gas-dynamic spraying , cutting and blasting abrasive cleaning materials, as well as devices to start propulsion energy and high power.
This work was supported by RFBR under grant 14-08-01118.
Publications with keywords: experimental investigation, intensification of decomposition, catalytic blocks
Publications with words: experimental investigation, intensification of decomposition, catalytic blocks
References
1. Arefev K.Yu. [Research of Methods Intensifying the Nitrous Oxide Decomposition in a Small-size Gas Generator with a Resonant Gasdynamic System for a Work-process Initiation]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie - Proceedings of Higher Educational Institutions. Machine Building, 2013, no. 6, pp. 60-65. (in Russian).
2. Antonov A.N., Kuptsov V.M., Komarov V.V. Pul'satsii davleniyapri struynykh i otryvnykh techeniyakh [Pressure pulsations in inkjet and separated flows]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990. 272 p. (in Russian).
3. Ugryumov E.A. [Gasdynamic processes in Hartmann generator]. Vestnik Leningradskogo universiteta. Fizika, 1986, no. 4, pp. 30-37. (in Russian).
4. Dulov V.G., Maksimov V.P. [Thermal effect of the Hartmann—Sprenger resonator in a highfrequency regime]. Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Ser. 1. Matematika. Mekhanika. Astronomiya, 2005, no. 4, pp. 79-86. (in Russian).
5. Arefyev K.J., Berlov I.V., Zakharov V.S., Ilchenko M.A. Numerical and experimental investigation of the resonant system model sample gasdynamic ignition hight-temperature flow generator. Abstracts of the International Conference on the Methods ofAerophysical Research. Part 2, Kazan, Russia, 2012, pp. 21-22.
6. Voronetskiy A.V., Arefev K.Yu., Il'chenko M.A. [Characteristic Pilot Study of a Blended Fuel Ignition Gas-Dynamic System as Applied to Liquid-Propellant Rocket Thrusters]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii - Engineering Journal: Science and Innovation, 2012, no. 10. Available at: http://engjournal.ru/eng/catalog/machin/energy/385.html , accessed 01.03.2014. (in Russian).
7. Trusov B.G. Modelirovanie khimicheskikh i fazovykh ravnovesiypri vysokikh temperaturakh "Astra" [Simulation of chemical and phase equilibria at high temperatures "Astra"]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 1991. 40 p. (in Russian).
