Определение закономерностей влияния рецептурных и внутрибаллистических параметров на скорость горения низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.1:621.455

Определение закономерностей влияния рецептурных и внутрибаллистических параметров на скорость горения низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив

© С.В. Калинин, А.И. Шабунин, В.И. Сарабьев, В.А. Валяев

ОАО «Федеральный научно-производственный центр «НИИ прикладной химии», г. Сергиев Посад, Московская обл., 141313, Россия

Представлены результаты исследования скорости горения низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив (НБГТ) пиротехнического типа на основе нитрогуанидина, перхлората аммония и уротропина с использованием микро-и ультрадисперсных катализаторов бихромата аммония и оксида железа. Определено влияние температуры горения топлив в диапазоне Тг = 1400... 1800 К на их баллистические характеристики. Полученные аппроксимационные выражения позволяют формировать рецептуры топлив для различных типов низкотемпературных газогенераторов. На основе полученных зависимостей разработаны высокоэффективные НБГТ для устройств раскрутки ротора турбореактивных двигателей и систем перемещения элементов исполнительных механизмов.

Ключевые слова: топливо, скорость, горение, катализатор, дисперсность.

Низкотемпературные быстрогорящие газогенерирующее топлива (НБГТ) используются в низкотемпературных газогенераторах, которые находят широкое применение в системах вооружения и военной техники, а также в объектах гражданского назначения, например в устройствах раскрутки ротора турбореактивных двигателей и системах перемещения элементов исполнительных механизмов.

Обычно НБГТ имеют низкую скорость горения, что обусловлено их низкой температурой горения. Достичь высокой скорости горения топлив можно следующими технологическими и рецептурными приемами: повышением дисперсности компонентов и применением катализаторов горения. В работах [1-3] было установлено, что эффективными катализаторами горения НБГТ на основе нитрогуанидина (горючее-газообразователь), перхлората аммония (окислитель) и уротропина (газообразующая добавка) являются бихромат аммония (БХА) и оксид железа (ОЖ).

Для определения влияния температуры горения топлив в диапазоне Тг = 1400.. .1800 К на баллистические характеристики НБГТ при рабочем давлении р = 2.10 МПа была сформирована группа топлив, включающая катализаторы различной природы и дисперсности: мик-

родисперсный [МД] (£уд = 0,67 м2/г) и ультрадисперсный [УД] (£уд = = 2,0 м2/г) бихромат аммония, микродисперсный (£уд = 1,0 м2/г) и ультрадисперсный (£уд = 3,0 м2/г) оксид железа. Рецептуры исследуемых НБГТ формировали таким образом: расчетная температура горения составляла Тг = 1400, 1600, 1800 К при содержании катализатора Ст= 1, 4, 7 %. Для оценки эффективности результатов исследования использовали не содержащие катализаторов топлива-эталоны, температура горения которых также составляла Тг = 1400, 1600, 1800 К [4, 5]. Температуру горения регулировали изменением соотношения нитрогуанидина и уротропина. Рассматриваемая группа топлив включала 39 рецептур. Скорость горения НБГТ при повышенном давлении определяли в генераторе давления ГД-2М.

В результате проведенного исследования для рассмотренных вариантов топлив с катализаторами БХА[МД], ОЖ[МД], БХА[УД], ОЖ[УД] были построены аппроксимационные выражения, характеризующие зависимость скорости горения НБГТ от их температуры горения в указанных выше диапазонах изменения значений Тг, Ст, и р (рис. 1-3). Для удобства анализа и применения полученных выражений в качестве аргумента использовали приведенное значение температуры Тг = Тг/1000 (в К).

Применение в рецептурах НБГТ микро- и ультрадисперсных катализаторов позволило выявить следующую закономерность: при увеличении содержания катализатора (Ст = 1.. .7 %) и температуры горения (1400.1800 К) увеличивается интенсивность роста скорости горения топлив. Наибольшая скорость горения достигается при включении в рецептуру НБГТ ультрадисперсных БХА и ОЖ в количестве Ст = 7 % при Тг = 1800 К.

Для представления более полной и качественной картины изменения скорости горения НБГТ, включающих рассмотренные варианты катализаторов, были построены пространственные зависимости и(Тг, Ст) при р = 2, 6, 10 МПа. Графические изображения зависимостей, соответствующих рассматриваемым диапазонам изменения температуры горения и давления, приведены на рис. 4.

На основе полученных аппроксимационных выражений, не проводя экспериментальных исследований, можно формировать рецептуры НБГТ, используя рассмотренные компоненты, для различных типов низкотемпературных газогенераторов в соответствии с предъявляемыми техническими требованиями. В частности, с помощью полученных зависимостей были разработаны высокоэффективные НБГТ 62-34 и 62-35, предназначенные соответственно для устройств раскрутки ротора турбореактивных двигателей и систем перемещения элементов исполнительных механизмов.

Рис. 1. Зависимости и(Тг) с микро- и ультрадисперсными катализаторами

БХА и ОЖ при рабочем давлении р = 2 МПа:

а — Ст = 1 %; 1 — БХА[МД]: и = -1,813 Тг2 + 8,778Тг - 7,342; 2 — ОЖ[МД]: и = = -2,688 Тг2 + 11,052 Тг - 8,931; 3 — БХА [УД]: и = -2,250 Тг2 + 9,170 Тг - 6,308; 4 — ОЖ [УД]: и = -4,550 Тг2 + 17,385 Тг - 14,026; 5 — эталон: и = -1,988 Тг2 + + 8,013 Тг - 6,425; б — Ст = 4 %; 1 — БХА[МД]: и = 2,55 Тг2 - 3,815 Тг + 2,594; 2 — ОЖ[МД]: и = 1,963 Тг2 - 3,408 Тг + 2,974; 3 — БХА[УД]: и = -3,963 Тг2 + + 16,962Тг - 12,493; 4 — ОЖ[УД]: и = 4,438 Тг2 - 10,103 Тг + 7,649; 5 — эталон: и = -1,988 Тг2 + 8,013 Тг - 6,425; в — Ст = 7 %; 1 — БХА[МД]: и = 3,513 Тг2 -- 6,383 Тг + 5,460; 2 — ОЖ[МД]: и = 12,538 Тг2 - 36,038 Тг + 28,773; 3 — БХА [УД]: и = -1,125 Тг2 + 7,715 Тг - 3,904; 4 — ОЖ[УД]: и = 7,575 Тг2 - 19,655 Тг + 15,797; 5 — эталон: и = -1,988 Тг2 + 8,013 Тг - 6,425

в

Рис. 2. Зависимости и(Тг) с микро- и ультрадисперсными катализаторами

БХА и ОЖ при рабочем давлении р = 6 МПа:

а — Ст =1 %; 1 — БХА[МД]: и = - 4,450 Тг2 + 18,895 Тг - 15,066; 2 — ОЖ[МД]: и = = -5,038 Тг2 + 19,988 Тг - 15,618; 3 — БХА [УД]: и = -9,175 Тг2 + 33,310 Тг -

- 25,249; 4 — ОЖ[УД]: и = -10,175 Тг2 + 36,990 Тг - 28,995; 5 — эталон: и = = -4,900 Тг2 + 18,730 Тг - 14,725; б — Ст = 4%; 1 — БХА[МД]: и = -0,100 Тг2 + + 6,350 Тг - 4,197; 2 — ОЖ [МД]: и = -0,863 Тг2 + 8,238 Тг - 6,049; 3 — БХА [УД]: и = -11,487 Тг2 + 44,017 Тг - 33,35)1; 4 — ОЖ[УД]: и = 6,538 Тг2 - 13,928 Тг + + 11,233; 5 — эталон: и = -4,900 Тг2 + 18,730 Тг - 14,725; в — Ст = 7 %; 1 — БХА[МД]: и = -0,525 Тг2 + 9,155 Тг - 5,197; 2 — ОЖ [МД]: и = 9,650 Тг2 -

- 22,520 Тг + 17,464; 3 — БХА [УД]: и = -5,375 Тг2 + 25,165 Тг - 16,659; 4 — ОЖ[УД]:

и = 5,563 Тг2 - 9,788 Тг + 8,978; 5 — эталон: и = -4,900 Тг2 + 18,730 Тг - 14,725

и, мм/с б 5 4 3 2

£/, мм/с 10

£/, мм/с

14 12

10

8 6 4

2

3 4

' 1

1,4

(2

1,6

1,8 Гг,К

\

К-—

1,4

1,6

1,8

тг, к

1,4

1,6

Ту, к

Рис. 3. Зависимости и(Тг) с микро- и ультрадисперсными катализаторами

БХА и ОЖ при рабочем давлении р = 10 МПа:

а — Ст =1 %; 1 — БХА [МД]: и = -6,500 Тг2 + 26,480 Тг - 20,730; 2 — ОЖ[МД]: и = = -6,633 Тг2 + 26,047 Тг - 20,006; 3 — БХА [УД]: и = -14,950 Тг2 + 53,240 Тг -

- 40,996; 4 — ОЖ[УД]: и = -14,550 Тг2 + 51,930 Тг - 40,214; 5 — эталон: и = = -7,375 Тг2 + 27,635 Тг - 21,554; б — Ст = 4 %; 1 — БХА[МД]: и = -2,813 Тг2 + + 15,787 Тг - 10,385; 2 — ОЖ[МД]: и = -4,013 Тг2 + 20,233 Тг - 15,412; 3 — БХА [УД]: и = -17,463 Тг2 + 65,148 Тг - 49,783; 4 — О Ж[УД]: и = 7,675 Тг2 -

- 15,670 Тг + 13,267; 5 — эталон: и = -7,375 Тг2 + 27,635 Тг - 21,554; в — Ст = 7 %; 1 — БХА[МД]: и = -5,013 Тг2 + 25,052 Тг - 16,294; 2 — ОЖ[МД]: и = 4,675 Тг2 -

- 3,385 Тг + 1,742; 3 — БХА [УД]: и = -9,000 Тг2 + 39,585 Тг - 27,456; 4 — ОЖ[УД]:

и = 1,725 Тг2 + 4,825 Тг - 1,656; 5 — эталон: и = -7,375 Тг2 + 27,635 Тг - 21,554

и, мм/с 16

1400 1600

в

я 14-16

■ 12-14

■ 10-12 □ 8-10 □ 6-8

□ 4-6

ст, %

и, мм/с 14

1400 1600

г

Я 12-14 ■ 10-12 □ 8-10 □ 6-8 ■ 4-6

%

Рис. 4. Зависимости скорости горения НБГТ от содержания катализатора и температуры горения (Тг ~ 1400... 1800 К):

а — с БХА[МД]; б— с ОЖ[МД]; в — с БХА[УД]; г — с ОЖ[УД]

■ 10-12

17, мм/с ^^^к

12 /У1 В- п8_10

0 1400 1600 Т

б

£/, мм/с

14 12

10

8 6 4 2 О

1400 1600

а

ЛИТЕРАТУРА

[1] Шабунин А.И., Сарабьев В.И., Валяев В.А., Калинин С.В. Исследование и разработка пиротехнических топлив для газогенераторов систем спасения измерительных вариантов торпед. Вопросы оборонной техники. Сер. № 14. Проектирование систем вооружения, боеприпасов и измерительных комплексов, 2012.

[2] Шабунин А.И., Калинин С.В., Сарабьев В.И. и др. Результаты исследования и разработки низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив для систем перемещения элементов исполнительных механизмов. Наука и образование. Электрон. науч.-техн. изд., 2012, № 2.

[3] Калинин С.В., Шабунин А.И., Валяев В.А., Шибанов С.В., Сарабьев В.И. Разработка низкотемпературных газогенерирующих топлив с повышенной скоростью горения для устройств раскрутки ротора турбореактивных двигателей. Химическая физика и мезоскопия. Липанов А.М., ред. Ижевск,

2011, с. 165-169.

[4] Калинин С.В., Шабунин А.И., Валяев В.А., Шибанов С.В., Сарабьев В.И. Определение закономерностей изменения и путей регулирования скорости горения модифицированных низкотемпературных газогенерирующих топлив. Новые технологии. Материалы XXXII Всерос. конф. РАН. Москва,

2012, с. 59-65.

[5] Калинин С.В., Шабунин А.И., Валяев В.А. и др.Определение закономерностей изменения и путей регулирования скорости горения модифицированных низкотемпературных газогенерирующих топлив. Новые технологии. Материалы IXВсерос. конф. РАН. Москва, 2012, т. 2, с. 59-65.

Статья поступила в редакцию 15.07.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Калинин С.В., Шабунин А.И., Сарабьев В.И., Валяев В.А. Определение закономерностей влияния рецептурных и внутрибаллистических параметров на скорость горения низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 4. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/713 .html

Калинин Сергей Викторович окончил Московский государственный индустриальный университет в 2008 г.; старший научный сотрудник Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии» (г. Сергиев Посад); автор более 14 научных работ в области исследования и разработки твердых пиротехнических топлив и зарядов для воздушно-реактивных двигателей и низкотемпературных газогенераторов. e-mail: lab112.niiph@yandex.ru

Шабунин Александр Иванович — канд. техн. наук; начальник лаборатории Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии» (г. Сергиев Посад). e-mail: lab112.niiph@yandex.ru

Сарабьев Виктор Иванович — д-р техн. наук; начальник лаборатории Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии» (г. Сергиев Посад). e-mail: lab112.niiph@yandex.ru

Валяев Владимир Александрович — инженер-конструктор I кат. Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии» (г. Сергиев Посад). e-mail: lab112.niiph@yandex.ru