Снижение выброса сажи при стендовых испытаниях жидкостных ракетных двигателей

• Автор: Худяков, Владимир Николаевич
• Шифр специальности: 05.07.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 128 с. : ил

Содержание

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 го-

могенных и неоднородных топливовоздушных смесей.

1.4. Сажеобразование и выброс сажи в камерах сгорания ЖРД

Глава 2. Назначение, характеристики и устройство испыта- „„

тельного 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 ее выгорания в диффузоре газоотводного тракта.
4.3. Определение экономической эффективности.
Выводы Литература
Приложения

ВВЕДЕНИЕ
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 газоотводящими 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

боте насосных станций. Номинальный предпусковой уровень воды на перекрытии перед выходным насадком равен 1,2м.
Труба (6) диаметром 16м и высотой 85м (от кровли гидрогасителя №2) предназначена для отвода в атмосферу и выброса на большую высоту очищенных продуктов сгорания с последующим рассеиванием для снижения остаточных концентраций примесей загрязняющих веществ до нормативных уровней в приземном слое.
Рабочий процесс в ЖРД начинается с момента подачи окислителя и горючего в камеру сгорания. На рис. 2.2. представлена типовая схема подачи компонентов топлива в кислородно-керосиновых двигателях, разрабатываемых НПО Энергомаш. Обращается внимание (с позиций изучения сажеооб-разования) на расположение поясов завес и количества подаваемого горючего, а также подтверждение природы образования визуально определяемого периферийного (пограничного) слоя, содержащего сажу, на срезе сопла двигателя (рис. 1.2.).
На рис. 2.3. приведена (уже частично представленная на рис. 2.1.) конкретная система ГОТ на участке диффузор - дожигатель с местами подвода жидкого кислорода и установки пробоотборного устройств.
Устройство и функциональные схемы других структурных частей данного стенда, составляющих его единый технологический комплекс (системы питания ЖРД компонентами топлива, управления, регулирования, регистрации и обработки измеряемых параметров, энергоснабжения и др.) не имеют принципиальных отличий (за исключением разницы в масштабах) от используемых на стендах открытого типа.
2.3. Возможности сенда. Дожигание выхлопных газов (на примере двигателя РД-171).
Выше отмечалось, что продукты сгорания на срезе сопла содержат окись углерода СО (~ 32% по объему) и свободный водород Н2 (~ 8% по объ-