CC BY
99
УДК 621.436
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОМОТОРОВ ГОРЕНИЯ В УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВАХ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
© 2013 Н. В. Петрухин, С. М. Сергеев, О. А. Прокопенко, М. О. Грек
ФАУ «25ГосНИИ химмотологии Минобороны России», г. Москва
Проведён анализ опубликованных данных и представлены результаты экспериментальных исследований авторов по действию промоторов горения - пероксидов и гидропероксидов на скорость турбулентного горения горючего ТС-1. Установлено, что возможно увеличение удельного импульса тяги модельного ИДД в 2,5 - 3,0 раза, в такой же степени и скорости горения ТВС. Обоснован механизм действия промоторов на повышение активности ТВС в процессе горения.
Импульсно-детонационный двигатель, гиперзвуковой двигатель, топливовоздушная смесь, детонация, гидроксильный и пероксидный радикалы, промотор, удельный импульс тяги.
Решение проблемы использования углеводородных топлив в импульсно-детонационных (ИДД) и гиперзвуковых (ГПВРД) двигателях возможно при значительном повышении горючести топливо-воздушной смеси. В случае ИДД это необходимо для сокращения перехода горения в детонацию (ПГД) при низкой энергии инициирования. При использовании горючего в ГПВРД промоторы необходимы для сокращения периода самовоспламенения и повышения устойчивости пламени в камере сгорания в сверхзвуковом потоке воздуха.
Несмотря на различия в принципах работы и эксплуатации этих двигателей, решение обозначенной проблемы имеет общее - повышение реакционной способности ТВС в процессах воспламенения и горения. Известно, что свободные радикалы существенно влияют на стадию вос-
В табл. 3 приведены характеристики исследованных промоторов [2]. Как следует из приведённой таблицы, наиболее активными к образованию свободных
пламенения ТВС и соответственно на протекание процессов горения и детонации. Не вникая в подробности механизма горения углеводородов, отметим, что основными радикалами, ведущими процесс, являются метильный, гидроксильный и пероксидный. Наиболее активный из них - гидроксильный (табл. 1).
Скорость гибели его на два порядка выше пероксидного и на 2,5 порядка - ме-тильного. При подъёме температуры ТВС число радикалов увеличивается, что при определённых условиях приводит к цепному воспламенению. Расчёт концентрации свободных радикалов в ТВС показывает, что при введении промотора в топливо при одинаковых условиях число гидроксильных радикалов резко увеличивается (табл. 2). Этот эффект приводит к активизации воспламенения ТВС.
гидроксильных радикалов являются трет-бутилгидропероксид и бензоилпероксид.
Образование радикалов проходит по следующим реакциям [2]:
Таблица 1. Расчётные значения скоростей гибели свободных радикалов при термолизе углеводородных ТВС
Радикал СНз ОН ООН
Скорость гибели к, см3/моль-с [1] 4,4Т010 1-1013 11015
ЯООН ^ ЯО + ОН; КСО-О-О-СОК^[2КСО-О]; ЯСОО' +ЯН ^ ЯСОЯ + ОН.
Таблица 2. Расчётные результаты зависимости роста активных радикалов с ростом температуры при введении пероксидного промотора
Радикал Условие Т, К 3 С(Я), частиц/см
СН 3 нагрев 500 10 10
ОН нагрев 500 14 10
ОН нагрев + введение в топливо 1% бензоилпероксид (БП) 500 15 10
Таблица 3. Характеристики исследованных промоторов
о о
Название Формула Т , С Т , С
пл. разл.
Трет-бутилгидропероксид (СН3)3СООН -5,5 89
Бензоилпероксид (С Н СОО) 6 5 2 103-104 70
Пероксид ацетона ((СН3)2СОО)2 132 190
Таким образом, скорость окисления углеводородного горючего прямо пропорциональна концентрации гидроксильных радикалов в зоне реакции. На начальной стадии воспламенения количество гид-роксильных радикалов, образовавшихся в
результате разложения промотора, превышает количество радикалов, полученных в реакции разложения горючего.
Действие промоторов горения было исследовано с использованием баллистического маятника (рис. 1).
Датчики
Устройство впрыска
Нагревательные элементы
Свеча подрыва
Рис.1. Схема баллистического маятника
Высота точек закрепления над центром масс И = 4,5 м. Масса сборки т = 16,3 кг. В каждом опыте после взрыва ТВС измеряли максимальное горизонтальное отклонение I маятника. Для документирования показаний прибора отклонение стрелки маятника относительно измерительной шкалы фиксировали с помощью видеокамеры. С учётом характеристик стенда расчёт импульса силы проводили по формуле
3 = 23,8 • I [Не], (1)
где I - отклонение маятника, м.
Величину удельного импульса ТВС рассчитывали по уравнению
Зуд = 3 / т [Н е], (2)
где т - масса ТВС, кг.
На рис. 2 приведены зависимости удельного импульса ТВС от концентрации введенных промоторов пероксида водорода и пероксида бензоила в горючее ТС-1. Так, при добавлении 2% пероксида водорода удельный импульс тяги увеличивается в 3 раза, а при добавлении пероксида бензоила такой эффект достигается только при 3%-й добавке. Труднорастворимые промоторы вводили в горючее предвари-
тельно растворёнными в бутиловом спирте или бензоле. Было отмечено, что эффективность промотирования при увеличении их концентрации снижается.
Рабочий процесс ИДД включает четыре основных стадии: заполнение камеры взрывчатой смесью, инициирование детонационной волны, её распространение по камере сгорания - детонационной трубе, истечение продуктов детонации. Вследствие нестационарности рабочего процесса анализ тяговых характеристик таких двигателей более сложен, чем для силовых установок с установившимся течением.
щм/с 1200 -1 --
1000 /г ^ 800 / 600 /---""
200 Г
о —
0 2 4 б С, %
Рис. 2. Зависимость удельного импульса ТВС
от концентрации промотора:
1 - ТС-1 + пероксид водорода,
2 - ТС-1 + пероксид бензоила.
h j ^
Таблица 4. Характеристики сгорания топлив на экспериментальной установке ИДД
Топливо С2Н4-О2 [3] С2Н4-О2 [4] С2Н4-воздух [4]
Характеристики ИДД: длина трубы, м диаметр трубы, м 0,10 0,05 1,0 0,1 1,000 0,072
Система инициирования эл.свеча+предетонатор
Масса заряда, г 0,27 10,87 3,27
Характеристики сгорания:
Средняя скорость газов в рабочей камере, м/с 250 200 230
Скорость детонации, м/с 2370 2370 1975
Импульс тяги, Нс 0,45 17,6 4,4
Удельный импульс тяги, Н-с/кг 1660 1620 1330
В табл. 4 приведены характеристики сгорания топлив на экспериментальной установке ИДД. Из представленных данных следует, что средняя скорость газов -
продуктов детонации в рабочей камере составляет 200 - 250 м/с при скорости детонации топливной смеси 1975 - 2370 м/с. При этом скорость истечения практически
не зависит от скорости детонации топливной смеси. Основную часть тяги, получаемой в ИДД за один цикл, составляет стадия истечения продуктов детонации из рабочей камеры. Эта стадия включает три фазы: выход детонационной волны, сверхзвуковое истечение и дозвуковое истечение.
На основании данных табл. 4 следует, что в формирование удельного импульса тяги ИДД основную долю вносят продукты детонации и инертные газы воздушной среды. Время прохождения детонационной волны составляет 20-50 мкс и, несмотря на высокое давление во фронте порядка 3-4 Мпа, её доля в импульсе тяги не превышает 1,5-2,0 вследствие её короткого действия на тяговую стенку.
Уровень скорости течения продуктов детонации в ИДД по данным табл. 4 составляет около 0,7 от скорости детонации ТВС (Б).
Таким образом, полученная зависимость имеет вид
и = 0ДО
Величина и практически соответствует удельному импульсу тяги ИДД:
/Уд - 0ДО
В итоге импульс тяги ИДД определяется действием двух факторов:
- ударной волны на тяговую стенку;
- реактивной силы продуктов детонации и нагретых газов.
Действие ударной волны было подтверждено при проведении эксперимента с подрывом взрывчатого вещества (ТЭН) на баллистическом маятнике. Результаты экспериментов представлены в табл. 5.
Таблица 5. Зависимость удельного импульса тяги модельного ИДД от количества взрывчатого вещества
Количество взрывчатого вещества т, г Импульс тяги 3, Н с Удельный импульс тяги Зуд, Н с
0,1 1,5 15000
0,3 3,0 10000
0,5 5,7 11400
0,7 8,2 11714
Вследствие использования в эксперименте малой массы взрывчатого вещества по сравнению с массой ТВС истечением газов в этом случае можно пренебречь. Как следует из приведённых результатов, при практическом отсутствии реактивной силы истечения газов удельный импульс достигает максимального значения.
Таким образом, на основании сравнительной оценки исследованных промоторов установлено, что:
1) наиболее эффективными из исследованных промоторов для применения
в качестве присадок к реактивным углеводородным топливам являются гидропе-роксиды;
2) добавка 2,5% гидропероксидных промоторов горения увеличивает удельный импульс тяги модельного ИДД в 2,5 -3,0 раза;
3) максимально достижимая величина удельного импульса тяги для ИДД в единичном цикле составляет ~ 12000 Н
с/кг.
Библиографический список
1. Гардинер, У. Химия горения [Текст] / У. Гардинер. - М.: Мир, 1988. -238 с.
2. Антоновский, В.Л. Органические перекисные инициаторы [Текст] / В.Л. Антоновский. - М.: Химия, 1972.
3 . Импульсные детонационные двигатели: удельный импульс, сопла и входные устройства [Текст] / Э. Даню, Ф. Фа-
лемпа, Г. Кантен [и др.] // Импульсные детонационные двигатели; под ред. д.ф.-м.н. С.М. Фролова - М.: ТОРУСС ПРЕСС, 2006. - С.447-474.
4. Тангирала В.Е. Численные исследования импульсного детонационного двигателя [Текст] // Импульсные детонационные двигатели; под ред. д.ф.-м.н. С.М. Фролова - М.: ТОРУСС ПРЕСС, 2006. - С. 373-412.
EVALUATION OF THE POSSIBILITY OF USING COMBUSTION PROMOTERS IN HYDROCARBON FUELS FOR PERSPECTIVE JET ENGINES
© 2013 N. V. Petrukhin, S. M. Sergeev, O. A. Prokopenko, M. O. Grek
25 State Scientific-Research Institute of Chemmоtology of the Russian Ministry of Defense, Moscow
The article presents the analysis of published data and results of experimental studies performed by the authors regarding the effect of combustion promoters - peroxides and hydro-peroxides on the turbulent burning rate of fuel TS-1. It was determined that the specific pulse thrust of the model pulse-detonating engine may be increased by 2.5 - 3.0 times. The same goes for the degree and burning rate of the fuel-air mixture. The authors explain the mechanism of action of promoters for increasing the activity of the fuel-air mixture in the process of combustion.
Pulse-detonation engine, hypersonic engine, fuel mixture, detonation, hydroxyl radicals and peroxide, a promoter, specific impulse.
Информация об авторах
Петрухин Николай Васильевич, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», Москва. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: физическая химия реактивных топлив.
Сергеев Сергей Михайлович, кандидат технических наук, доцент, начальник лаборатории, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», Москва. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: повышение эффективности применения моторных топлив и разработка методов оценки их эксплуатационных свойств.
Прокопенко Олег Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», Москва. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: совершенствование способов безопасной эксплуатации КЖРТ, разработка новых ракетных топлив.
Грек Максим Олегович, кандидат технических наук, преподаватель, Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого, г. Москва. Область научных интересов: физическая химия реактивных топлив.
Petrukhin Nicolay Vasilyevich, Doctor of Science (Engineering), Professor, Chief Researcher, "25 State Scientific and Research Institute of Chemmotology of the Russian Ministry of Defense", Moscow. E-mail: [email protected]. Area of research: physical chemistry of jet fuels.
Sergeev Sergey Mikhailovich, Candidate of Science (Engineering), Associate Professor, Head of Laboratory, "25 State Scientific and Research Institute of Chemmotology of the Russian Ministry of Defense", Moscow. E-mail: [email protected]. Area of research: increasing the efficiency of using power fuels and methods of assessing their performance characteristics.
Prokopenko Oleg Anatolyevich, Candidate of Science (Engineering), Senior Researcher, "25 State Scientific and Research Institute of Chemmotology of the Russian Ministry of Defense", Moscow. E-mail: [email protected]. Area of research: perfection of ways of providing safe operation of liquid jet fuel components, development of new rocket fuels.
Grek Maxim Olegovich, Candidate of Science (Engineering), Lecturer, Military Academy of Strategic Rocket Forces named after Peter the Great, Moscow. Area of research: physical chemistry of jet fuels.
