CC BY
44
УДК 662.1:621.455
РАЗРАБОТКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИХ ТОПЛИВ С ПОВЫШЕННОЙ СКОРОСТЬЮ ГОРЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ РАСКРУТКИ РОТОРА ТУРБОРЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
КАЛИНИН СВ., ШАБУНИН А.И., ВАЛЯЕВ В.А., ШИБАНОВ СВ., САРАБЬЕВ В.И.
ФНПЦ «НИИ прикладной химии», 141313, г. Сергиев Посад Московской области, ул. Академика Силина, 3
АННОТАЦИЯ. Представлены результаты решения задачи повышения скорости горения низкотемпературных газогенерирующих топлив (НГТ) на основе нитрогуанидина и перхлората аммония. Увеличение скорости горения при сохранении низких значений температуры продуктов сгорания обеспечивалось применением модификаторов горения. Рассмотрено влияние дисперсности модификатора на термодинамические, баллистические и физико-механические характеристики НГТ. Установлено, что наиболее эффективными модификаторами являются бихромат аммония, бихромат калия и оксид ванадия, обеспечивающие увеличение скорости горения НГТ в 3,0; 2,3 и 2,2 раза, а также повышение стабильности процесса горения. Показано, что использование нанодисперсного модификатора приводит к существенному увеличению скорости горения НГТ.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: топливо, горение, модификатор, характеристика, прочность, работоспособность, дисперсность.
В устройствах раскрутки ротора турбореактивных двигателей (ТРД) энергосиловых установок (ЭСУ) применяются низкотемпературные газогенерирующие топлива (НГТ) на основе нитрогуанидина. В качестве окислителя использовался перхлорат аммония [1]. Для обеспечения сохранности и работоспособности турбины ТРД необходимо генерировать низкотемпературный газ. Одновременно, НГТ должны соответствовать следующим баллистическим требованиям: высокая скорость горения и низкий показатель v в законе скорости горения. Однако, при снижении температуры горения существенно понижается скорость горения НГТ.
Для повышения скорости горения НГТ исследовались следующие модификаторы горения: бихромат аммония (БХА), бихромат калия (БХК), оксид ванадия (V) (ОВН), оксид висмута (III) (ОВС), оксид молибдена (VI) (ОМЛ), оксид никеля (II) (ОНК), оксид титана (IV) (ОТТ), оксид хрома (III) (ОХР), оксид циркония (ОЦР) [2, 3]. Количество модификаторов в рецептурах НГТ составляло 7 %. Модификаторы использовались в виде микродисперсной фракции со средним диаметром частиц d43 = 125 мкм и удельной площадью поверхности Syd = 1600 см2/г.
Для количественной оценки результатов исследования использовалось топливо-эталон (ЭТЛ) не содержащее модификатора. Все топлива имели температуру горения Тгор = 1600... 1655 К, обеспечивающую сохранность турбины ТРД в процессе её раскрутки.
Оценка эффективности топлив осуществлялась на основе анализа их термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик. Высокоэффективные НГТ для раскрутки ротора ТРД должны обладать максимальными значениями газопроизводительности, работоспособности, скорости горения, прочности, низкой температурой горения, а также иметь слабую зависимость скорости горения от давления и содержать в продуктах сгорания (ПС) минимальное количество конденсированной фазы.
С помощью программного комплекса «TERMO» были определены термодинамические характеристики рассматриваемых НГТ: газопроизводительность W, работоспособность RT, содержание конденсированной фазы z. Значения термодинамических характеристик представлены в табл. 1.
Таблица 1
Термодинамические характеристики исследуемых топлив
Характеристики НГТ с модификатором горения
БХА БХК ОВН ОВС ОМЛ ОНК ОТТ ОХР ОЦР ЭТЛ
Ж, м3/кг 1,076 1,060 1,056 1,049 1,051 1,045 1,044 1,045 1,069 1,131
ЯТ, кДж/кг 659,9 641,8 656,4 643,4 632,9 637,4 629,2 629,8 634,2 687,0
г, % 4,2 3,6 5,7 0 4,9 5,5 7,0 6,9 7,0 0
Физико-механические характеристики НГТ с модификаторами горения оценивались на
сж и
основе значений их прочности при сжатии ° в и растяжении изгибающим моментом ° в . Испытания проводились с помощью разрывной машины ЦД 10/90. Результаты определения указанных характеристик приведены в табл. 2.
Таблица 2
Физико-механические характеристики исследуемых топлив
Характеристики НГТ с модификатором горения
БХА БХК ОВН ОВС ОМЛ ОНК ОТТ ОХР ОЦР ЭТЛ
сж в , МПа 55,5 54,5 54,8 54,9 56,1 51,6 52,5 55,8 54,6 51,0
и в , МПа 15,6 16,2 15,9 12,6 14,8 16,1 10,2 14,7 12,6 17,0
Скорость горения топливных образцов в интервале значений давления р = 2... 10 МПа определялась в генераторе давления ГД-2М. Результаты экспериментального исследования представлены в табл. 3.
Таблица 3
Баллистические характеристики исследуемых топлив
Характеристики НГТ с модификатором горения
БХА БХК ОВН ОВС ОМЛ ОНК ОТТ ОХР ОЦР ЭТЛ
Ц|р=10 МПа, мм/с 10,10 7,83 7,10 5,15 5,37 4,88 4,90 5,51 4,76 3,53
V 0,50 0,48 0,38 0,63 0,50 0,45 0,60 0,77 0,55 0,62
и0, мм/с 1,006 0,859 1,233 0,283 0,537 0,614 0,309 0,159 0,378 0,203
Для анализа баллистических характеристик топлив использовался коэффициент эффективности модификаторов Кэф, представляющий собой отношение скорости горения НГТ с модификатором и топлива-эталона. На рис. 1 - 3 показаны зависимости коэффициентов эффективности модификаторов исследуемой группы НГТ от давления.
кэ
ф
2
4
\
\j_ V
кэ
ф
15 5 19 р, МПа
1 - топливо-эталон; 2 - НГТ с ОВН; 3 - НГТ с ОХР; 4 - НГТ с ОЦР
Рис. 1. Зависимости Кэф модификаторов горения ОВН, ОХР, ОЦР от давления
2
V
........./.................. W
1 3 5 7 9 Р > МПа
1 - топливо-эталон; 2 - НГТ с БХК; 3 - НГТ с ОМЛ; 4 - НГТ с ОТТ
Рис. 2. Зависимости Кэф модификаторов горения БХК, ОТТ, ОМЛ от давления
На основе анализа термодинамических характеристик исследуемых топлив с модификаторами горения установлено, что высокими значениями газопроизводитель-
3
ности (Ж> 1,06 м/кг) обладают НГТ с бихроматом аммония, оксидом циркония, бихроматом калия. Высокие значения работоспособности (ЯТ > 650 кДж/кг) свойственны НГТ с бихроматом аммония и оксидом ванадия. Минимальным содержанием в 1 3 5 7 9 продуктах сгорания к-фазы (г 5 %) обладают
топлива с оксидом висмута, бихроматом калия, бихроматом аммония, оксидом молибдена.
В результате рассмотрения физико-механических характеристик топлив установлено следующее. Высокими
значениями предела прочности при растяжении изгибающим моментом (° в >15 МПа) обладают НГТ с бихроматом калия, оксидом никеля, оксидом ванадия, бихроматом аммония. Высокие
сж
значения предела прочности при сжатии (° е >55 МПа) свойственны НГТ с оксидом молибдена, оксидом хрома, бихроматом аммония.
В результате анализа полученных данных баллистических характеристик установлено, что максимальное увеличение скорости горения (Ц|р=10 мпа >7 мм/с) обеспечивают модификаторы бихромат аммония, бихромат калия, оксид ванадия. Наиболее слабая зависимость скорости горения от давления (у < 0,50) характерна для топлив с оксидом ванадия, оксидом никеля, бихроматом калия, бихроматом аммония, оксидом молибдена.
Задачу увеличения скорости горения НТГ, помимо варьирования природы модификатора, можно решить путём повышения его дисперсности [4]. С этой целью были рассмотрены НГТ, содержащие бихромат аммония в виде микродисперсной (^43 = 125 мкм) и нанодисперсной (^43 = 60 нм) фракции; количество БХА составляло 4 % [5].
1 - топливо-эталон; 2 - НГТ с БХА; 3 - НГТ с ОНК; 4 - НГТ с ОВС
Рис. 3. Зависимости Кэф модификаторов горения БХА, ОНК, ОВС от давления
В результате определения баллистических характеристик были получены следующие данные: для НГТ с микродисперсным БХА - U|p=i0 МПа = 7,26 мм/с, v = 0,54; для НГТ с нанодисперсным БХА - U|p=10 МПа = 13,1 мм/с, v = 0,56. Таким образом, повышение
дисперсности бихромата аммония с микродисперсного до нанодисперсного уровня обеспечило увеличение скорости горения НГТ на ~ 80 %; при этом значение показателя v практически не изменилось. Зависимость коэффициента эффективности модификатора Кэф от давления представлена на рис. 4. Для сравнения, на рис. 4 приведена зависимость Кэф(р) для топлива-эталона и НГТ с 7 % микродисперсного БХА. Анализ представленных данных показывает, что скорость горения НГТ с 4 % нанодисперсного БХА заметно превышает значение U для топлива с 7 % микродисперсного модификатора.
Таким образом, для НГТ на основе нитрогуанидина и перхлората аммония, предназначенных для устройств раскрутки ротора ТРД ЭСУ, наиболее эффективным модификатором горения, обеспечивающим высокий уровень термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик, является бихромат аммония. К числу перспективных модификаторов горения также можно отнести оксид ванадия и бихромат калия. Применение оксида ванадия наиболее целесообразно для повышения стабильности рабочего процесса, что характерно для топлив, отличающихся слабой зависимостью скорости горения от давления. Кроме того, повышение дисперсности модификатора также является одним из наиболее эффективных методов увеличения скорости горения низкотемпературных газогенерирующих топлив.
Материалы статьи обсуждались на Седьмой Всероссийской конференции «По внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (ICOC'2011)» (г. Ижевск, 29-31 марта 2011 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шабунин А.И., Сарабьев В.И., Конюхов Б.Н. и др. Термодинамическое исследование влияния рецептурных факторов на характеристики пиротехнических газогенерирующих твердых топлив // Материалы III Всерос. НТК «Современные проблемы пиротехники». Сергиев Посад, 2004. С.89-92.
2. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. М. : Наука, 1976. С.79-96, 107-114.
3. Беляев, Н.Н. Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М. : Наука, 1967. С.174-177.
4. Калинин С.В., Валяев В.А., Шибанов С.В. и др. Исследование влияния дисперсности модификатора горения на баллистические характеристики пиротехнических топлив для генерации низкотемпературного смешанного газа // Материалы V Всерос. НТК «Современные проблемы пиротехники». Сергиев Посад, 2010. С.76-77.
5. Калинин С.В., Валяев В.А., Шабунин А.И. и др. Исследование эффективности применения модификаторов горения в низкотемпературных пиротехнических газогенерирующих топливах // Материалы V Всерос. НТК «Современные проблемы пиротехники». Сергиев Посад, 2010. С.61-65.
4
------
VI
\7
1 3 5 7 9 р, МПа
1 - топливо-эталон; 2 - НГТ с микродисперсным БХА (4 %); 3 - НГТ с микродисперсным БХА (7 %); 4 - НГТ с нанодисперсным БХА (4 %)
Рис. 4. Зависимости Кэф модификатора горения БХА от давления
DEVELOPMENT OF LOW TEMPERATURE HIGH BURNING RATE GAS-GENERATING PROPELLANTS FOR ROTOR ACCELERATING DEVICES FOR TURBOJET PLANTS
Kalinin S.V., Shabunin A.I., Valyaev V.A., Shibanov S.V., Sarabjev V.I.
Federal Scientific and Production Center «Scientific Research Institute of Applied Chemistry», Sergiev Posad, Moscow Region, Russia
SUMMARY. The problem of increase the in burning rate of low temperature gas-generating propellants (LGP) based on nitroguanidine and ammonium perchlorate is discussed and the result of solving this problem are presented. The burning rate increase at low temperatures of combustion products has been achieved by using combustion modifiers in LGP formulations. The influence of the modifiers dispersion on LGP characteristics is studies. Thermodynamic, ballistic and physical-mechanical characteristics have been determined. It has been found that the most effective modifiers are ammonium dichromate, potassium dichromate and vanadium oxide; they increase the burning rate of LGP in a 3.0, 2.3 and 2.2 times correspondingly as well as improve stability of the combustion process. It is demonstrated that the use of a nanodispersed modifier result in a significant increase in LGP burning rate.
KEY WORDS: propellant, combustion, modifier, characteristic, efficiency, stability, dispersion.
Калинин Сергей Викторович, научный сотрудник ФНПЦ НИИПХ
Шабунин Александр Иванович, кандидат технических наук, начальник лаборатории ФНПЦ НИИПХ Валяев Владимир Александрович, инженер-конструктор II категории ФНПЦ НИИПХ Шибанов Сергей Владимирович, научный сотрудник ФНПЦ НИИПХ
Сарабьев Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, начальник отдела ФНПЦ НИИПХ тел.: 8(496) 548-06-62, 548-62-17; e-mail: otd11_niiph@mail.ru
