МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ИСПЫТАНИЙ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СВЯЗАННЫЕ С ВЫБРОСАМИ ВОДОРОДА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ

Безопасность водородной энергетики

HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT

Safety of hydrogen energy

i МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ИСПЫТАНИЙ | РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, СВЯЗАННЫЕ

1 С ВЫБРОСАМИ ВОДОРОДА удк 629.7.036.54

и а II А. Г. Галеев

с а

и?

S ФГУП «НИИхиммаш»

о

g г. Сергиев Посад, Московская обл., 141300, Россия

Тел.: (09654) 6-34-75; факс: (09654) 6-76-98; e-mail: таП@писЫттаЛ.ги; [email protected]

Сведения об авторе: доктор техн. наук (1990 г.), профессор (1992 г.),

лауреат премии Совета Министров СССР в области науки и техники (1983 г.), действительный член Российской академии космонавтики им. К. Э. Циолковского (2000 г.), начальник лаборатории ФГУП «НИИхиммаш», профессор Московского авиационного института (государственного технического университета) и Сергиево-Посадского филиала Московского государственного индустриального университета.

Образование: Казанский авиационный институт (1961 г.).

Область научных интересов: теория и практика наземных испытаний ракетных двигателей и двигательных установок, гидро- и газодинамика процессов в энергоустановках, исследования в области водородной технологии.

Публикации: 128 научных работ, авторских свидетельства и патентов на изобретения — 42.

Галеев Айвенго Гадыевич

The present paper is surveying methods of assuring safety when making static tests of rocket engines and components involving hydrogen emission.

The paper presents the experience in employing propellant ignition techniques for a number of Russian and foreign oxygen-hydrogen engines.

Also, there is shown an experience in developing devices for igniting and flaring off hydrogen emissions to ensure safety of test operations. The developed techniques and devices were embodied in safety systems at Nllchimmash test facilities during tests of the KVD1, D57, RD-0120 engines and a number of power plants.

Введение

i Применение кислородно-водородного топлива

£

t в двигателях верхних ступеней ракет-носителеи | (РН) и разгонных блоков позволяет увеличить удельный импульс двигательной установки на а ~30 % по сравнению с использованием кисло-

х

| родно-углеводородного топлива.

В кислородно-водородных двигателях обычно >. применяют восстановительную схему генерации * компонентов топлива для привода турбонасос-

о

° ного агрегата (ТНА). Это обусловлено большей 0 работоспособностью газа при коэффициенте избытка окислителя а = 1. Поэтому запуск кислородно-водородных двигателей проводится с

опережением подачи горючего, чтобы исключить «забросы» (увеличение) температуры на входе в турбину на переходных режимах.

Кроме того, запуск с опережением подачи водорода позволяет упростить схему двигателя использованием энергии испарившегося водорода в элементах двигателя для первоначальной раскрутки ТНА. Время опережения подачи водорода в процессе запуска составляет от 0,2 до 2 с.

Проведение запуска двигателя с опережением подачи водорода требует принятия определенных мер безопасности, так как выбросы водорода, смешиваясь с воздухом окружающей среды, легко воспламеняются или взрываются при наличии источников инициирования. Для ис-

Статья поступила в редакцию 29.11.2004 г. Article has entersd in publishing office 29.11.2004

ключения взрыва образуемых смесей необходимо обеспечить организованное воспламенение и дожигание выбросов водорода. Значительные выбросы имеют место также при испытаниях камеры сгорания на стенде с вытеснительной подачей компонентов, время опережения подачи горючего при этом составляет т0 = 0,8...2,5 с, а расход водорода при его опережающей подаче может превышать номинальное значение. Это приводит к образованию в окружающем пространстве большого количества взрывоопасной смеси водорода с воздухом.

Помимо этого, необходимо учитывать возможность выброса компонентов топлива из топливных баков и магистралей питания в аварийных ситуациях.

Для предотвращения образования водород-но-воздушных и водородно-кислородных взрывоопасных смесей используются ряд мероприятий:

■ повышенные требования к герметичности соединений в системах стенда и изделия;

■ контроль опасных накоплений водорода и применение систем флегматизации в отсеках испытательного стенда;

■ предотвращение контакта водорода с воздухом или окислителем (кислородом) в полостях изделия и коммуникациях стенда;

■ применение систем организованного воспламенения и дожигания водородных выбросов из изделия и систем стенда.

Первые три мероприятия являются необходимыми, но не могут обеспечить полной безопасности испытания, так как не исключается возможность образования взрывоопасных смесей. Применение систем воспламенения и дожигания выбросов является эффективным средством по предотвращению аварийных ситуаций при проведении стендовых испытаний изделий и их агрегатов, сопровождающихся выбросами водорода.

Обеспечение безопасности испытаний двигателей и их агрегатов

Воспламенение компонентов, поступивших в камеру сгорания или газогенератор (ГГ), является ответственным моментом запуска. Важный параметр воспламенения — время задержки воспламенения тс, которое во многом определяет характер запуска: темп набора давления, возможную перегрузку при выходе на режим.

Нижние и верхние концентрационные пределы воспламенения и детонации для газовых смесей водорода с воздухом и кислородом приведены в таблице.

В обычных условиях водородно-воздушная или водородно-кислородная смеси являются смесями квазиравновесного состава, для воспламенения которых необходим внешний источник энергии, ускоряющий химическую реакцию. Горючая смесь может быть инициирована электрической искрой, нагретым телом, открытым

Концентрационные пределы воспламенения и детонации для газовых смесей водорода с воздухом и кислородом

Содержание водорода, % об.

нижний предел верхний предел

е е

Смесь и н е R и и н е R и

н е S а а = н е S а а =

л о Н л о Н

п с о « п с о «

CS CS

H2-O2 4,6 15 94 90

Н2-воздух 4,1 18,3 74,2 59

пламенем, ударной волной и т. д. Минимальная энергия воспламенения водородно-воздушной смеси составляет 0,02 мДж. Минимальная температура тела, приводящая к самовоспламенению водородно-воздушной смеси, 700 К [1, 2].

При дожигании водорода воспламенение смеси может быть осуществлено горячей газовой струей. В реальных условиях при размерах воспламеняющих устройств, составляющих несколько сантиметров, температура воспламеняющей струи должна быть не менее 1100 К [2, 3].

Более опасной по своим последствиям является детонация (взрыв) водородных смесей. При этом опасность усугубляется тем, что пределы детонации находятся внутри области воспламенения. Для возникновения детонации, помимо наличия горючей смеси, необходим соответствующий источник инициирования. Известно, что наиболее легко детонация возбуждается ударной волной. Было установлено [2, 4], что в водородно-воздушных смесях, близких к стехи-ометрическим, ударные волны могут возникать и в свободном пространстве при наличии достаточно мощного источника воспламенения. Минимальный критический размер ударной волны, необходимый для возбуждения сферической детонации, 0,5 м. При разбавлении смеси азотом критический размер ударной волны увеличивается. Так, при 100 %-ном разбавлении воздуха азотом критический размер ударной волны 1,1 м.

В кислородно-водородных двигателях, предназначенных для верхних ступеней ракет-носителей и разгонных блоков, применяются в основном пиротехнический и электроискровой методы зажигания топлива. Пиротехнический метод обеспечивает высокую надежность и эффективность при простоте конструкции. Основной недостаток этого метода — ограничение по числу включений. Так, в российских двигателях КВД-1 и Д57 с тягой 7,5 и 40 тс применена пиротехническая система зажигания с коллекторным подключением пирозажигательных устройств к газогенератору и камере сгорания, обеспечивающих до 7 включений.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 2(22) 2005

В США выбор электроискровой системы зажигания был предопределен в 1960-х гг. при создании первого кислородно-водородного ЖРД RL-10. Используемая форкамера оказалась достаточно надежной и эффективной. Метод зажигания был реализован в двигателях RL-10 и его модификациях, J-2 и SSME («Pratt & Whitney» и «Rochetdyne»), разработанных в США, НМ-60 и «Vulkan» (Франция, SEP), Le-5 и Le-7 (Япония, «Mitsubishi»).

В кислородно-водородном двигателе РД-0120 с тягой 190 тс, предназначенном для 2-й ступени РН «Энергия», воспламенение топлива в газогенераторе и камере сгорания обеспечивается электроискровой системой с форкамерно-факель-ным зажиганием. Запальные устройства питаются компонентами топлива, отбираемыми из магистралей двигателя на выходе насосов. Поэтому перед запуском двигателя магистрали питания запальных устройств захолаживаются для обеспечения стабильной подачи водорода и кислорода в систему зажигания. Надежность работы системы зажигания двигателя РД-0120 подтверждена опытом стендовой отработки и летных испытаний РН «Энергия».

Следует отметить, что в начальной стадии работ с водородом не было единого мнения о целесообразности дожигания всех выбросов водорода. Так, фирма «Pratt & Whitney» (США) придерживалась мнения, что сжигание всего количества выбрасываемого водорода гарантирует полную безопасность испытаний. Поэтому над всеми вентиляционными трубами сброса водорода испытательных стендов поддерживалось пламя газообразного пропана. Фирма «Duglas Aircraft Company» (США) считала достаточным выпускать газообразный водород в малых количествах через вертикальную трубу, находящуюся на значительном удалении от мест проведения испытаний, без его дожигания.

В СССР (России), на стендах НИИхиммаша в процессе проведения испытаний дожигаются выбросы водорода с расходами более 0,5 кг/с. При меньших расходах водород не дожигается, а отводится из технологических систем испытательного стенда и сбрасывается в атмосферу через дренажные выводы с балластировкой инертным газом — азотом.

Аварийные ситуации на испытательных стендах, связанные с взрывом смесей водорода с воздухом и кислородом, сопровождались, как правило, значительными задержками их воспламенения. Это приводило к тому, что во взрывном процессе участвовало большое количество смеси. Поэтому при организованном поджигании водородных выбросов для исключения возможности взрыва необходимо обеспечить воспламенение выброса с минимальным временем задержки от начала выброса. Для воспламенения и дожигания водорода в настоящее время используют различные устройства, разработанные в НИИхим-

маш. Эти устройства осуществляют воспламенение выбросов водорода, как правило, при помощи пороховых и газовых зарядов. Расположение зарядов и интенсивность источника воспламенения этих устройств определялись экспериментально.

При создании системы воспламенения и дожигания выбросов водорода необходимо обеспечить выбор:

- типа поджигающего устройства (ПУ) и метода зажигания;

- параметров поджигающего устройства.

Тип поджигающего устройства и метод зажигания выбираются исходя из условий проведения испытания: продолжительности и многократности включения. При этом должна быть обеспечена надежность воспламенения выбросов водорода, безопасность и простота эксплуатации устройства.

Исследования распределения концентраций водорода в затопленной сверхзвуковой струе, истекающей из сопла, показали, что для воспламенения выбросов водорода за соплом двигателя необходим источник с длиной факела не менее 0,3 м при расположении ПУ у выходного сечения сопла [4].

В случае расположения ПУ на расстоянии 2-2,5 м от сопла (например, из-за установки дополнительного оборудования) необходим источник для поджигания с длиной факела 3-3,5 м. Температура факела должна быть не менее 1100 К.

В процессе испытания двигателей и их агрегатов на начальном этапе отработки для воспламенения выбросов водорода в основном использовали малогабаритные пирозапалы с временем горения 11 с, длиной факела до 1 м и температурой факела 1100-1400 К. Основной недостаток указанных устройств — одноразо-вость. Для повторного включения ПУ необходима его перезарядка, подключение и проверка цепей управления. В процессе длительных испытаний повторное воспламенение выбросов водорода может быть осуществлено пороховым устройством и дежурным факелом от сжигания малого расхода водорода, подаваемого через специальные насадки в зону смешения струи. Однако указанные устройства являются сложными в конструктивном исполнении, не экономичны и не обеспечивают постоянной готовности системы к возможным аварийным ситуациям. Кроме того, для получения факела длиной свыше 1 м расход газа и, следовательно, масса порохового заряда возрастает, что не снижает безопасность обслуживания системы.

Факел большой протяженности (3-3,5 м) может быть получен от сжигания газов в струйной эжекторной горелке, в качестве рабочего тела которой целесообразно выбрать основной компонент — водород. Учитывая большую продолжительность испытаний (до нескольких часов), расход водорода на горелку ПУ не должен пре-

вышать 0,02-0,03 кг/с и должна быть обеспечена многократность включения. Поэтому в указанных горелках применен электроискровой метод зажигания.

Расположение ПУ относительно сопла зависит от параметров устройства (длины факела), но воспламенение выбросов должно проводиться на начальном участке струи. Это уменьшает задержку воспламенения выбросов и обеспечивает участие минимального количества водорода в смеси при воспламенении.

В [4, 5] исследованы различные типы поджигающих устройств (рис. 1).

3 2 14 5

5 8 19 3

Воздух

Рис. 1. Схемы поджигающих устройств с пирозапа-лом (а), эжекторного типа (б), двухкомпонентного типа (в): 1 — сверхзвуковое сопло; 2 — боковые отверстия; 3 — камера; 4 — насадок; 5 — электрическая свеча; 6 — воспламенитель; 7 — пирозапал; 8 — камера разогрева водорода; 9 — форкамера

Показано (рис. 2), что в устройстве эжектор-ного типа за счет перераспределения водорода в периферийную часть струи в количестве 30-40 % суммарного расхода (тг), можно получить удлинение факела (/ф) на 15-20 %. В поджигающем

1 Ф; дф,

f о

< > 1ф

s 1 )

о дф /

о — о 3 - э — о о

устройстве двухкомпонентного типа подачей водорода и воздуха от стендовых систем обеспечивается независимость работы устройства от внешних условий.

В результате проведенных исследований разработаны рекомендации по выбору параметров и типов ПУ для воспламенения выбросов водорода в стендовых условиях.

Так, при испытании двигателей однократного включения можно применять ПУ с пороховым зарядом, например, с временем горения 11 с и длиной факела 0,3-1,0 м; при испытаниях двигателей многократного включения и в стендовых дожигателях целесообразно использовать струйные ПУ с электроискровым зажиганием, работающие на газообразном водороде и эжектируемом воздухе. С истечением газов в замкнутый объем или в среду с повышенным содержанием инертного газа следует применять ПУ двухкомпонент-ного типа с подачей водорода и воздуха от стендовых систем или ПУ с пороховым зарядом.

На рис. 3-6 приведены принципиальные схемы некоторых устройств для воспламенения водородных выбросов, которые применяли на стендах НИИхиммаш в процессе испытаний кислородно-водородных двигателей КВД1, Д57, РД-0120 и ряда энергетических установок.

На рис. 3 представлены схемы установки поджигающих устройств для воспламенения выбросов из сопла камеры сгорания двигателя.

На рис. 4 показана схема расположения пи-розажигательных устройств для воспламенения образуемых смесей в тракте выхлопного диффузора (газодинамической трубы) при испытаниях двигателя с имитацией высотных условий.

На рис. 5 и 6 представлены схемы устройств для дожигания выбросов водорода с кислородом окружающей среды при испытаниях газогенераторов, ТНА и проведении технологических операций на стенде (заправка систем и др.).

0,2 0,6 1,0 Рис. 2. Зависимость от mr

1,4 -m„

Рис. 3. Схемы установки ПУ для воспламенения выбросов: а, б — однократного включения; в — многократного включения; 1 — камера; 2 — пирозапалы; 3 — кольцо со штативом; 4 — ПУ многократного включения

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology

АЭЭ № 2(22) 2005 ISJAEE № 2(22) 2005

Рис. 4. Схема установки пирозапалов: 1 — пироза-пал; 2 — камера сгорания; 3 — клапаны подачи компонентов в двигатель; 4 — выхлопной диффузор; 5 — тягоизмеритель

Процесс воспламенения топлива в двигателях и стендовых системах контролируется изменением давления в коллекторе подвода газов от пирозажигательного устройства к ГГ (камере сгорания) и изменением давления в нем в момент воспламенения.

Подвод газа

Рис. 5. Стендовый дожигатель газа в свободной струе: 1 — труба подвода основного расхода; 2 — труба подвода газа для дежурного факела; 3 — стабилизатор; 4 — пирозапал; 5 — коллектор

Кроме того, в некоторых двигателях для повышения надежности вводятся блокировки процесса запуска, например, по температуре газа в запальных устройствах системы воспламенения компонентов топлива. Если температура в указанных полостях к определенному моменту не достигнет заданной (~950 К), то система аварийной защиты двигателя прекращает процесс запуска.

Воспламенение выбросов водорода за соплом камеры сгорания в процессе запуска во многом зависит от протекания переходных режимов в системе подачи газообразного водорода. Запуск можно проводить по различным схемам:

- с предварительной настройкой газового редуктора для обеспечения режима испытания и открытием пускового клапана подачи горючего;

- с регулируемым выводом газового редуктора подачи горючего на режим.

При запуске по первой схеме из-за нестабильности переходного режима процесс смешения водорода с воздухом устанавливается с колебаниями и наблюдаются задержки воспламенения (т3 = 0,5...0,9 с). Это приводит к тому, что в воспламенении участвует большой объем образуемой смеси истекающего водорода с воздухом и, как следствие, величина ударной волны при воспламенении выбросов водорода из сопла камеры двигателя Д57 составляла ЛРШ = 0,4...0,6 кгс/см2 (измеряется на расстоянии ~10 м от сопла).

При запуске по второй схеме время выхода редуктора подачи на предварительный режим составляло 0,8-1,0 с и обеспечивалось стабильное и устойчивое воспламенение выбросов водорода за соплом с т3 = 0,12...0,25 с, при этом замеренная величина ДРШ = 0,05...0,2 кгс/см2.

Ударная волна при взрыве на поверхности земли может быть оценена по формуле Садовского: / - -— \

АР =

1,06 4,3^B 143B2

+ ^— +-^—

R

R

R3

3в кгс/см2, (1)

Зоны смешения струй

скн

22Л

Подвод горючего

Рис. 6. Блочный стендовый дожигатель: 1 — агрегат зажигания; 2 — ПУ; 3 — электросвечи; 4 — выхлопное устройство с газовым затвором; 5 — факел ПУ

где ДРШ — избыточное давление во фронте ударной волны на расстоянии ~Л (м) от центра взрыва; В — масса заряда тротила, определяемая соотношением В = пСэтв (п — коэффициент использования водорода во взрыве для случая истечения и смешения при числе Рейнольдса Ие ? Ке^, Птах = 0,42, в нашем случае П ~ 0,15, Сэ = 10,4 — тротиловый эквивалент водородно-воздушной смеси в стехиометрическом соотношении, шв — масса выброшенного водорода из сопла изделия при опережающей подаче до момента воспламенения).

Формула (1) справедлива для приведенного расстояния от центра взрыва

* • -- (2)

и

mT = 0,1 кг/с

R = ^= = 1...15 м.

Ув

Оптимизация процесса дожигания выбросов водорода при испытаниях камер сгорания ЖРД

При запуске камеры сгорания на стенде с вытеснительной системой подачи компонентов воспламенение выбросов водорода за соплом может происходить с взрывом [4].

Расчетные значения ударных волн, определенные по формуле (1), при воспламенении выбросов смеси водорода с воздухом показаны на рис. 7. Там же представлены результаты, полученные при экспериментальной проверке системы воспламенения выбросов водорода при запуске камеры двигателя. Видно, что замеренные значения ударной волны акустическим датчиком ЛХ-610 незначи-

АРШ, кгс/см2

0,4

0,3

0,2

0,1

•

n/* U □

0 1 2 3 4 5

тв, кг

Рис. 7. График ЛРШ = /(тв) при воспламенении водорода в струе: • — запуск по второй схеме; □ — запуск по первой схеме; п = 0,15; Я = 10 м

тельно отличаются от расчетных, полученных по формуле (1).

При исследовании воспламенения выбросов водорода было выявлено, что с увеличением градиента нарастания расхода задержка воспламенения выбросов уменьшается. Вполне очевидно, что уменьшение времени задержки воспламенения уменьшает ударную волну при воспламенении выбросов водорода за соплом, т. е. смягчает запуск двигателя.

Экспериментальная зависимость времени задержки воспламенения выбросов от градиента нарастания расхода q показана на рис. 8. Она может быть аппроксимирована эмпирической зависимостью:

0,77

т, =-

- 0,075,

(3)

q

dm , кг/с

где д = —10 -.

d т с

Из рис. 8, принимая за допустимое безопасное значение ударной волны при воспламенении

т3, с

0,8

0,6

0,4

0,2

□ \ \

□ V" n

\ B □ \

5

dm -ю-

dт

кг/с

Рис. 8. График т3 = / (с!т / dт) при воспламенении выбросов водорода за соплом камеры двигателя: • — запуск по второй схеме; □ — запуск по первой схеме

выбросов водорода (ДРш)доп = 0,4...0,5 кгс/см2, можно получить значение максимального выброса водорода, при котором обеспечивается безопасность запуска (3-5 кг водорода).

На основании проведенных исследований для класса двигателей с расходом водорода до 14 кг/с установлено, что оптимальным режимом выхода редуктора подачи является градиент нарастания расхода

dm = 20...40 ^. d т с

Предложенная схема запуска с регулируемым выводом редуктора подачи горючего на режим была реализована при испытаниях камеры двигателя Д57 и позволила уменьшить ударную волну в процессе воспламенения выбросов водорода за сопловым устройством на 30-40 %.

Заключение

1. В современных кислородно-водородных двигателях, предназначенных для верхних ступеней РН и разгонных блоков, применяются в основном пиротехнический и электроискровой методы зажигания компонентов топлива с фор-камерным устройством.

2. Проведено обоснование параметров поджигающих устройств и даны примеры использования систем воспламенения и дожигания выбросов водорода для обеспечения безопасности стендовых испытаниий ракетных двигателей, ДУ и их агрегатов.

3. Предложенная схема запуска с регулируемым выводом редуктора подачи горючего на режим при испытаниях камеры двигателя Д57 позволила уменьшить величину ударной волны в процессе воспламенения выбросов водорода на 30-40 %.

Список литературы

1. Щетинков Е. С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.

2. Водород: Свойства, получение, хранение, транспортировка, применение. Справ. изд./Под ред. Д. Ю. Гамбурга, Н. Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989.

3. Галеев А. Г. Проектирование стендов и оборудования для испытаний двигательных установок летательных аппаратов. Учеб. пособие. М: Изд-во МАИ, 1987.

4. Галеев А. Г. Исследование безопасных условий воспламенения и дожигания выбросов водорода при стендовых огневых испытаниях ЖРД и их агрегатов. Дис. ... кандидата техн. наук. М., НИИхиммаш, МАИ, 1974.

5. Galeev A. G. On Safety assurance in captive testing of oxygen-hydrogen engines of Aerospace systems. Proc. of 3rd China-Russia-Ukraine Symp. on Astronautical Sci. and Tech. Xi'an, China, 1994. P. 201-203.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology

АЭЭ № 2(22) 2005 ISJAEE № 2(22) 2005