Снижение выброса сажи при стендовых испытаниях жидкостных ракетных двигателей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Худяков, Владимир Николаевич

• Худяков, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Худяков, Владимир Николаевич

Введение

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Физико-химические свойства частиц сажи.

1.2. Физико-химические модели образования частиц сажи.

1.3. Сажеобразование при горении предварительно смешанных гомогенных и неоднородных топливовоздушных смесей.

1.4. Сажеобразование и выброс сажи в камерах сгорания ЖРД

Глава 2. Назначение, характеристики и устройство испытательного стенда закрытого типа.

2.1. Характеристики стенда.

2.2. Устройство стенда.

2.3. Возможности стенда. Дожигание выхлопных газов (на примере двигателя РД-171).

Глава 3. Исследование процессов образования и выгорания сажи в испытательной системе "ЖРД — газоотводной тракт (ГОТ)".

3.1. Авторские работы предыдущих периодов.

3.2. Концепция сажеобразования в системе "ЖРД - ГОТ".

3.3. Методика экспериментальных исследований.

3.4. Проведение экспериментов с отбором проб сажи.

3.4.1. Выбор зон и точек отбора проб

3.5. Методика обработки и результаты анализа проб сажи.

3.5.1. Выбор характерных показателей.

3.5.2. Определение содержания в саже углеводородов.

3.5.3. Определение содержания в саже неорганических веществ.

3.5.4. Определение дисперсного состава сажи.

Глава 4. Оптимизация мест и способов ввода кислорода в системе "ЖРД-ГОТ".

4.1. Рекомендации по изменению проектной схемы ввода кислорода в ГОТ.

4.2. Пример расчета количества сажи в завесе камеры сгорания ЖРД (РД-171) и количества кислорода, необходимого для 80 ее выгорания в диффузоре газоотводного тракта.

4.3. Определение экономической эффективности. 82 Выводы 86 Литература 88 Приложения 91

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Снижение выброса сажи при стендовых испытаниях жидкостных ракетных двигателей»

Огневые испытания мощных ЖРД (см. прилож. п.1-п.З) могут оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду и население, особенно в случаях, когда испытательные стенды недостаточно удалены от жилых районов.

Оно выражается в аэродинамическом шуме высокой интенсивности, мощном световом эффекте от выхлопной струи, истекающей из сопла двигателя, выбросе в атмосферу большой массы высокотемпературных продуктов сгорания ракетного топлива, взрывоопасности процесса испытания, особенно при возникновении нештатных ситуаций, загрязнении оборудования и территории опасными компонентами топлива при случайных проливах и др.

Так, например, при работе двигателя с тягой 740 тс выброс продуктов сгорания равен примерно 2,5 тонны в секунду, а звуковое давление шума достигает 180-200 дБА.

Научно-производственное объединение энергетического машиностроения (НПО Энергомаш), которое является ведущим в России по созданию предельных по величине тяги и другим характеристикам ЖРД, территориально располагается в жилом массиве подмосковного г. Химки (рис.1).

Поэтому, в целях безусловного соблюдения требований экологической безопасности и нормативов промсанитарии, необходимо было найти организационно-техническое решение, обеспечивающее проведение всех работ по испытаниям и доводке ЖРД в зоне своего месторасположения.

Таким решением явились научное обоснование, разработка и создание уникальных испытательных стендов закрытого типа, оснащенных газоотво-дящими трактами, комплексно выполняющими природоохранительную функцию (рис.2).

В отличие от стендов открытого типа, на которых выброс продуктов сгорания ЖРД происходит прямо в атмосферу, на стендах закрытого типа испытуемый двигатель устанавливается в бронекамере, а выхлопная струя i

Рис. 1 Ситуационный план района расположения испытательного комплекса отводится от сопла по газоотводному тракту (ГОТ) к устройствам газоочистки, шумоглушения и гидрогашения тепловой и кинетической энергии.

Бронекамера, оснащенная водными и газовыми системами локализации и непрерывного удаления возможных проливов компонентов ракетного топлива, обеспечивает взрыво- и пожаробезопасность в нештатных ситуациях при проведении огневого испытания, надежную защиту от взрывной волны и осколков в случае разрушения узлов и агрегатов испытуемого двигателя, а также полностью экранирует световое излучение от выхлопной струи ЖРД.

Сверхзвуковая струя продуктов сгорания, преобразованная в выхлопном диффузоре в дозвуковую, проходит через дожигатель, где в нее впрыскивается расчетное количество жидкого кислорода (до 800 кг/с) и воды для выгорания горючих составляющих (СО и Н2). При этом впрыскиваемая вода понижает температуру выхлопных газов до уровня 1600.2000К , а также участвует как необходимый реагент в реакции окисления СО (рис. 1.2).

За дожигателем, в головной части ГОТ, в выхлопную струю впрыскивается вода в соотношении к расходу газа ~8/1 (~23 т/с), вследствие чего образуется парогазожидкостная смесь с температурой ~400 К.

В процессе массо-теплообмена с водяными струями в головной части происходит резкое снижение температуры и скорости потока продуктов сгорания и, как следствие этого, диссипация его акустической энергии с трансформацией первичного аэродинамического шума двигателя во вторичный, т.е. шумоглушение.

Вытекающая из ГОТ парогазожидкостная струя взаимодействует в кольцевой камере гидрогасителя с большой массой воды (общий объем более 20000 м3), вследствие чего происходит окончательное "гашение" её кинетической и тепловой энергии.

В конечном счете, охлажденные до температуры ~370 К продукты сгорания в смеси с водяным паром и мелкодисперсной влагой выбрасываются в атмосферу через трубу высотой 85 м.

Использование такой технологии испытаний ЖРД позволило в основном исключить или снизить до нормативных уровней действие отрицательных факторов на окружающую среду и людей. При этом были изолированы в закрытом объёме газоотводного тракта и локализованы в границах производственной площадки и санитарно-защитной зоны стенда такие наиболее значимые экологически отрицательные факторы, как акустическое, световое и тепловое воздействия газовой струи, пожаро- и взрывоопасность, сброс больших масс сточных вод во внешнюю канализацию и открытые водоёмы (благодаря применению оборотного водоснабжения), уменьшение выбросов в атмосферу продуктов неполного сгорания компонентов ракетного топлива (в основном СО).

Вместе в тем, в ходе многолетней эксплуатации стендов закрытого типа выявились и некоторые существенные недостатки выхлопных трактов, снижающие их функциональные возможности в обеспечении комплексной очистки выхлопных газов от всех содержащихся в них загрязняющих веществ.

Наиболее значимым из них является невозможность организовать выгорание сажи и несгоревших углеводородов, содержащихся в выхлопных газах, в дожигателе, изначально рассчитанном только на дожигание водорода и окиси углерода, вследствие чего огневые испытания кислородно-керосиновых ЖРД сопровождаются интенсивным выбросом этих веществ из газоотводного тракта.

Образование и выброс большого количества сажи представляет проблему (в экологическом и в санитарно-гигиеническом аспектах), удовлетворительного решения которой не найдено до настоящего времени.

Суть проблемы состоит в том, что сажа, обладающая не только токсическими, но и канцерогенными свойствами, осаждается на строительных и технологических конструкциях, стендовом оборудовании и коммуникациях, загрязняя спецодежду персонала, воздух рабочей зоны и оборотную воду гидрогасителя.

Кроме этого, часть сажи в составе дисперсной влаги увлекается скоростным потоком продуктов сгорания в трубу рассеивания и выбрасывается в виде гидроаэрозольных клубов в атмосферу, а затем в виде дождевого осадка выпадает на землю по ходу их движения, загрязняя почву, растительный покров, водоёмы.

Автор настоящей работы принимал непосредственное участие в создании стендов закрытого типа, совершенствовании их основных характеристик по мере усложнения испытуемых двигателей, повышения их удельных и интегральных параметров, включая поиски причин сажеобразования и выброса сажи.

С этой целью проводилась систематическая работа по анализу конструктивных и функциональных недостатков (несовершенства) основных элементов существующих газоотводных трактов, по сбору и анализу научно-технической литературы, а также результатов НИР по данной тематике, выполненных в смежных областях техники (авиационные газотурбинные двигатели, теплотехника, производство технического углерода и др.).

Наряду с этим, совместно с другими исследователями (НИИТП, ИХФ РАН, КАИ), инициировались и проводились поисковые работы по выявлению и идентификации источников выброса сажи в испытательной системе "ЖРД-ГОТ"; исследования течения многосопловых газовых струй и смешения их с реагентами, вводимыми в них в канале диффузора и дожигателя (на модельной установке), экспериментальная отработка технологии дожигания выхлопных газов при различных вариантах подвода жидкого кислорода в зону дожигания.

Для достижения этого результата, необходимо:

1) выполнить анализ современного состояния вопросов по проблеме образования, выгорания и выброса сажи при сжигании углеводородных топлив в газотурбинных двигателях (ГТД), камерах сгорания ЖРД, авиационных и других устройствах;

2) обосновать концепцию образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе " ЖРД - газоотводной тракт";

3) разработать конструкцию устройства и методику для отбора проб сажи из высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале газоотводного тракта;

4) произвести аналитические исследования физико-химических характеристик частиц сажи в отобранных пробах в системе "ЖРД-ГОТ";

5) разработать практические рекомендации по снижению выброса сажи при проведении огневых испытаний кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа.

Оценка намеченных мероприятий по актуальности, значимости содержания, объёму, новизне проведения, дают основание считать, что положительные результаты указанных работ могут явиться основой его диссертационной работы с обобщающей формулировкой: «Снижение выброса сажи при стендовых испытаниях жидкостных ракетных двигателей».

На защиту выносятся следующие положения, составляющие научную новизну и практическую ценность работы:

1) концепция образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе "ЖРД — газоотводной тракт";

2) разработка конструкции прямоточного устройства и методики отбора проб сажи в высокотемпературных и высокоскоростных потоках продуктов сгорания ракетного топлива, протекающих в газоотводном тракте;

3) данные по дисперсному составу сажи, уловленной пробоотборниками;

4) определение камеры сгорания ЖРД (ее завесы) как источника выброса в газоотводный тракт сажи и несгоревших углеводородов;

5) предложения по доработке проектной (штатной) схемы ввода кислорода в выхлопную струю ЖРД в целях организации эффективного выгорания образовавшейся сажи и снижения её выброса с продуктами сгорания на испытательных стендах закрытого типа.

Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук В .Я. Басевичу, С.М. Когарко (ИХФ РАН), Р.А. Гафурову (КАИ), В.М. Миронову (НИИТП), кандидату технических наук A.M. Дубинскому (НИИ I II), которые оказали помощь при постановке задач и принимали участие в проведении исследований по отдельным направлениям работы, а также в обсуждении полученных результатов.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Худяков, Владимир Николаевич

Выводы.

1. Огневые испытания кислородно-керосиновых ЖРД на стендах закрытого типа, оснащенных газоотводными трактами (ГОТ), сопровождаются образованием и выбросом сажи, которая обладает токсическими и канцерогенными свойствами и поэтому является одним из наиболее опасных загрязняющих веществ в объектах производственной зоны и окружающей природной среды.

Токсичность сажи в суммарной токсичности всех остальных загрязняющих ингредиентов, содержащихся в выхлопных газах ЖРД, составляет около 65%.

2. Существующий в составе газоотводного тракта дожигатель выхлопных газов, рассчитанный на дожигание окиси углерода и водорода, в силу функциональных недостатков проектной схемы ввода кислорода на дожигание, исключает возможность организации выгорания дисперсных частиц твердого углерода (сажи).

3. Предложена концепция образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе «ЖРД - газоотводной тракт», отождествляющая эти процессы с пиролизом углеводородов ракетного горючего при дефиците кислорода в пристеночном слое камеры сгорания двигателя и в сажеобразующих зонах газоотводного тракта при отсутствии в них условий для выгорания образовавшейся сажи.

4. Разработана конструкция прямоточного устройства для отбора проб сажи из пограничного слоя высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале диффузора ГОТ.

5. Получены аналитические данные фракционного, дисперсного состава и формы уловленных частиц. Анализ этих данных позволяет считать, что камера сгорания двигателя является основным источником выброса сажи и несгоревших углеводородов в газоотводной тракт.

6. Экспериментально подтверждена возможность организации выгорания сажи при вводе кислорода в пограничный слой выхлопной струи на участке сверхзвукового течения в горле диффузора.

7. Предложены и частично апробированы (с положительным эффектом) в экспериментах на стенде три варианта конструктивных решений по вводу кислорода для выгорания сажи на входе выхлопного диффузора, в непосредственной близости от среза сопла ЖРД.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Худяков, Владимир Николаевич, 2003 год

1. Левашенко Г.И., Симоньков С.В., Анцулевич В.И. Определение размеров и содержания частиц сажи в продуктах сгорания керосина. ФГВ. 1986. №6. С. 108-111.

2. Гюльмисарян Т.Г. Технология производства технического углерода (сажи). М. Московский институт нефтехимической и газовой промышленности. 1979. С. 8-41.

3. Бакиров Ф.Г., Захаров В.М., Полшцук И.З. и др. Образование и выгорание сажи при сжигании углеводородных топлив. М: Машиностроение, 1989. С.128.

4. Heynes B.S., Wagner H.G. Soot formation II Progress in energy and combustion science. 1981. Vol. №4. C. 229-273.

5. Хироясу X. Механизм образования сажи. Образование сажи и горение.// Кикай но кэнкю.1980.Т. 32. С. 263-269.

6. ГН-2.1.6695-98. Гигиенический норматив. ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

7. Канило П.М. Токсичность ГТД и перспективы применения водорода. Киев. Наукова думка. 1982.

8. Крестинин А.В., Кислов М.Б., Раевский А.В. и др. К вопросу о механизме образования сажевых частиц.// Кинетика и катализ. 2000. Т. 41, № I С. 102-111.

9. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. М. Химия. 1972. С. 136.

10. Теснер П.А. Образование сажи при горении.// ФГВ. 1979. Т. 15 № 2. С.3-14.

11. Macfarlan Y.Y., Holderness F.S. Soot formation rates in premixed C5 and C6 hidrocarbon air flames up to 20 atm.// Combustion and flame. 1964. Vol. 8. №3 P. C.215-229.

12. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. М: Мир, 1986. С.566.

13. Гафуров Р.А., Соловьев В.В. Диагностика внутрикамерных процессов в энергетических установках. М., Машиностроение, 1991. С.267.

14. Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа, 1967. С.675.

15. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1980. С.533.

16. Дубинский A.M., Миронов В.М., Широков Н.Н. и др. Экспериментальное моделирование стационарных и нестационарных процессов в элементах выхлопного тракта стендов для испытания двигателя РД-170. М., НИИТП. НТО. 1988.

17. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. К вопросу о сажеобразовании и выбросе сажи в процессе огневых испытаний ЖРД на стендах закрытого типа.// Труды ГДЛ-ОКБ. №19. М.: 2001. С. 251-254.

18. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. Экологические аспекты проведения огневых испытаний жидкостных ракетных двигателей большой мощности на стендах закрытого типа. "Труды ГДЛ-ОКБ" № 18 М. 2000. С.334-353.

19. Худяков В.Н. Снижение выброса сажи при огневых испытаниях ЖРД на стендах закрытого типа.// Труды ГДЛ-ОКБ № 20. М.: 2002. С. 259275.

20. Важинский Г.А., Гафуров Р.А., Сафин Д.Н., Усанов И.А. Устройство для отбора проб газа из сверхзвукового высокотемпературного потока. А.с. №1006965. 23.03.83. Б.И. 1983. № II.

21. Иванов Н.Н., Петропавлов А.А., Худяков В.Н. и др. Прямоточное уст-рйство для отборов дисперсной фазы в высокотемпературных и высокоскоростных двухфазных потоках. Патент № 2108559. Приоритет изобретения 8 ноября 1995г.

22. V. KHUDYAKOV, N. USHKOV. LPRE Fire Test Facility of NPO Energomash and Ecological Aspects. 6-th International Simposium."Propulsion For Space Transportation of the XXI-th century". 14-17 May 2002. Palais des Congres, Versailles France.

23. Каменский С.Д. Диффузия от кольцевого источника при малых числах Фурье в пространстве, ограниченном цилиндрическими поверхностями, частный случай: (защитная завеса в камере ЖРД). // Труды ГДЛ-ОКБ. №20 М.: 2002. С. 72-83.

24. Шишков А.А., Селин Б.М. Высотные испытания реактивных двигателей. М. Машиностроение. 1985. 205 С.

25. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пы-лей и измельченных материалов. JI. Химия. 1987.

26. Кандоба JI.H., Клепиков И.А., Федоров В.В., Цветова А.В. Пути повышения теплосъема с камеры ЖРД теплоносителем, обеспечивающим работу турбины. // Труды ГДЛ-ОКБ. № 20 М.:2002. С. 98-110.

27. Зимогляд В.М., Худяков В.Н. Экологические аспекты проведения огневых испытаний ЖРД большой мощности на стендах закрытого типа.// Двигатель. № 4 (16). 2001. С. 2- 4.

28. Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М. "Наука". 1969. С.824.