Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. 12
1.1. Физико-химические свойства частиц сажи. 12
1.2. Физико-химические модели образования частиц сажи. 14
1.3. Сажеобразование при горении предварительно смешанных могенных и неоднородных топливовоздушньгх смесей . 20
1.4. Сажеобразование и выброс сажи в камерах сгорания ЖРД 26
Глава 2. Назначение, характеристики и устройство испытательного стенда закрытого типа 35
2.1. Характеристики стенда. 28
2.2. Устройство стенда. 28
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)". 40
3.1. Авторские работы предыдущих периодов. 40
3.2. Концепция сажеобразования в системе "ЖРД - ГОТ". 48
3.3. Методика экспериментальных исследований. 53
3.4. Проведение экспериментов с отбором проб сажи. 59
3.4.1. Выбор зон и точек отбора проб 59
3.5. Методика обработки и результаты анализа проб сажи. 64
3.5.1. Выбор характерных показателей. 64
3.5.2. Определение содержания в саже углеводородов. 65
3.5.3. Определение содержания в саже неорганических веществ. 66
3.5.4. Определение дисперсного состава сажи. 66
Глава 4. Оптимизация мест и способов ввода кислорода в системе "ЖРД-ГОТ" .76
4.1. Рекомендации по изменению проектной схемы ввода кислорода в ГОТ. 76
4.2. Пример расчета количества сажи в завесе камеры сгорания ЖРД (РД-171) и количества кислорода, необходимого для ее выгорания в диффузоре газоотводного тракта . 80
4.3. Определение экономической эффективности. 82
Выводы 86
Литература 88
Приложения 91-128
- Сажеобразование при горении предварительно смешанных могенных и неоднородных топливовоздушньгх смесей
- Возможности стенда. Дожигание выхлопных газов (на примере двигателя РД-171).
- Концепция сажеобразования в системе "ЖРД - ГОТ".
- Пример расчета количества сажи в завесе камеры сгорания ЖРД (РД-171) и количества кислорода, необходимого для ее выгорания в диффузоре газоотводного тракта
Введение к работе
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, взрывоопасное 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
*
Рис. 1 Ситуационный план района расположения испытательного комплекса
*
Рис.2 Общий вид стендов №1,2 закрытого типа 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 основ ном исключить или снизить до нормативных уровней действие отрицатель- ^ ных факторов на окружающую среду и людей. При этом были изолированы в закрытом объёме газоотводного тракта и локализованы в границах про изводственной 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). Ц Вместе в тем, в ходе многолетней эксплуатации стендов закрытого ти- па 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
Щ 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; обосновать концепцию образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе " ЖРД - газоотводной тракт"; разработать конструкцию устройства и методику для отбора проб сажи из высокотемпературной сверхзвуковой струи ЖРД, протекающей в канале газоотводного тракта; произвести аналитические исследования физико-химических характеристик частиц сажи в отобранных пробах в системе "ЖРД-ГОТ"; 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: концепция образования, выгорания и выброса сажи в испытательной системе "ЖРД — газоотводной тракт"; разработка конструкции прямоточного устройства и методики отбора проб сажи в высокотемпературных и высокоскоростных потоках продуктов сгорания ракетного топлива, протекающих в газоотводном тракте; данные по дисперсному составу сажи, уловленной пробоотборниками; определение камеры сгорания ЖРД (ее завесы) как источника выброса в газоотводный тракт сажи и несгоревших углеводородов; предложения по доработке проектной (штатной) схемы ввода кислорода в выхлопную струю ЖРД в целях организации эффективного выгорания
11 образовавшейся сажи и снижения её выброса с продуктами сгорания на испытательных стендах закрытого типа.
Автор выражает глубокую признательность докторам технических наук В.Я. Басевичу, СМ. Когарко (ИХФ РАН), Р.А. Гафурову (КАИ), В.М. Миронову (НИИТП), кандидату технических наук A.M. Дубинскому (НИИТП), которые оказали помощь при постановке задач и принимали участие в проведении исследований по отдельным направлениям работы, а также в обсуждении полученных результатов.
Сажеобразование при горении предварительно смешанных могенных и неоднородных топливовоздушньгх смесей
В [3] приведены результаты исследований суммарной кинетики саже образования в пламени при сжигании натурного горючего - авиационного керосина ТС-1 в камере модельной установки и влияния на интенсивность образования и выгорания сажи в пламенах углеродвоздушных смесей таких факторов, как давление, начальная температура смеси (t), коэффициент избытка воздуха (а), время пребывания, род топлива. Авторами установлена общая закономерность для углеводородных топлив: с обогащением топливо-воздушной смеси происходит повышение интенсивности сажевыделения вплоть до границы "богатого" срыва пламени в смесях с ОС 0,3.
Установлено также, что при t = const с повышением давления в зоне горения количество сажи, образующейся в пламени гомогенной керосино воздушной смеси также пропорционально возрастает.
Повышение температуры пламени ведет к увеличению выхода сажи при а = 0,3...0,43.
Таким образом, одновременное повышение давления и температуры в зоне горения при ОС 0,43 может вести к существенному повышению уровня сажевыделения вследствие влияния в одном направлении этих двух режим ных параметров.
Время пребывания (среднеинтегральное время химических реакций) является одним из определяющих параметров для концентрации сажи в продуктах сгорания, причем имеет место не только увеличение массовой концентрации сажи по времени, но наблюдается и ее уменьшение с увеличением ОС. Это свидетельствует о протекании в зоне горения наряду с сажеобразова-нием конкурирующих химических реакций, приводящих к выгоранию образовавшейся сажи, роль которых с повышением ОС усиливается.
Влияние вида углеводородного топлива на интенсивность сажевыделе ния при сжигании подробно рассмотрено для различных типов пламен. Ре зультаты проведенных исследований подтвердили существенную зависимость выхода дисперсного углерода в различных типах пламен от вида сжигаемого топлива. Было установлено, что основной значительной характеристикой топлива с этой точки зрения является относительное содержание водорода в топливе: увеличение доли водорода в углеводородном топливе снижает склонность к сажеобразованию. Кроме того, влияние на выход сажи при горении многокомпонентного топлива (например, керосина) оказывает процентное содержание ароматических углеводородов. Это связано с отличиями в механизме сажеобразования при сжигании парафиновых и ароматических углеводородов. С увеличением содержания ароматических углеводородов в топливах, в том числе авиационных, выход сажи при их сжигании возрастает.
Представляют интерес также характеристики сажеобразования при значительных уровнях теплопотерь из зоны реакции [11]. В камерах сгорания ГТД подобные условия могут иметь место, например, вследствие высокого уровня радиационного теплопереноса от сажеобразующего факела к стенкам жаровой трубы. В газоотводном тракте стенда вероятен отвод тепла к охлаждаемой теплозащитной облицовке проточной части ГОТ и испарение воды и жидкого кислорода, впрыскиваемых в зону реакции в дожигателе.
Для исследования этого фактора при проведении экспериментов [ 1 ] были использованы охлаждаемые водой реакционные трубы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что тепловые потери из зоны реакции ведут к снижению выхода сажи для богатых смесей. Порог сажеобразования при этом сдвигается в сторону более бедных смесей, в результате возникает ситуация, когда при определенных значениях ОС сажеобразование в практически адиабатных условиях (когда тепловыми потерями из зоны можно пренебречь) не происходит, а при наличии теплопотерь имеет место.
Рассмотренные результаты исследований относятся к горению гомогенных углеводородновоздушных смесей, когда испаренное топливо предварительно перемешано на молекулярном уровне с воздухом. Однако в камере сгорания ГТД (а также в системе "ЖРД - ГДТ") осуществляется раздельная подача горючего и окислителя, и процессы горения реализуются в условиях пространственной неоднородности распределения горючего и окислителя и неоднородности во времени (турбулентные пульсации). Одним из необходимых условий для протекания химических реакций в этом случае является смешение компонентов, которое зависит от гидродинамических условий в газовом потоке и определяется молекулярной и турбулентной диффузией.
Типичным примером реализации неоднородности топливовоздушной смеси в камере сгорания ГТД является подача жидкого топлива в зону горения. Возникновение неоднородных по составу зон является в этом случае естественным следствием наличия в этой зоне капель жидкого топлива или областей, заполненных парообразным топливом, образовавшимся при испарении капель.
Для оценки влияния неоднородности, вызванной подачей жидкого топлива, были проведены опыты на модельной установке, аналогичной использованной для изучения сажеобразования при горении однородных смесей.
Сравнение результатов экспериментов показало, что при подаче жидкого топлива массовый выход сажи примерно в 1,5 раза выше, чем при горении гомогенной смеси.
Анализ результатов исследований, приведенных в публикациях [1-5-12], позволяет сделать следующие выводы: 1) физико-химические свойства частиц сажи оказываются близкими для совершенно различных топочных устройств. В то же время в различных зонах одного и того же пламени можно получить частицы сажи со значительно отличающимися свойствами, отражающими различные стадии развития процесса сажеобразования во времени;
Возможности стенда. 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 объему). При проведении огневого испытания ЖРД на открытом стенде эти горючие газы естественным образом догорают при свободном смешении и химическом взаимодействии выхлопных газов, имеющих высокую температуру, с кислородом атмосферного воздуха.
В закрытом стенде организовать свободное смешение выхлопных газов с воздухом по ряду причин практически невозможно, поэтому в состав выхлопного тракта включён дожигатель СО и Нг, так как в гидрогасителе эти газы с воздухом образуют взрывоопасные смеси, а выброс в атмосферу большой массы токсичной СО (до 100 тонн за одно испытание) является недопустимым по экологическим и санитарно-гигиеническим нормативам.
При работе двигателя на стенде сверхзвуковая выхлопная струя, преобразованная в выхлопном диффузоре в дозвуковую, отводится к дожигателю, в котором производится подача расчётного количества воды и жидкого кислорода в поток продуктов сгорания. Расход жидкого кислорода определяется на основе термодинамических расчётов из условия обеспечения полного дожигания СО и водорода с 0t= 1,05-1,1 устанавливается в соответствии с циклограммой работы двигателя. Так, например, при работе двигателя РД-171 на основном режиме выброс СО из камеры сгорания составляет 750-830 кг/с, а расход жидкого кислорода на её дожигание в газоотводящем тракте составляет 800кг/с. Суммарный расход воды ( 2500кг/с) для охлаждения горючей смеси по циклограмме не регулируется. При этом, впрыскиваемая в дожигатель вода понижает температуру газового потока, а также участвует, как химический реагент, в реакции окисления СО. Оптимальное соотношение массы впрыскиваемой воды шв к массе выхлопных газов mr определяется из расчёта снижения начальной температуры газов на выходе из диффузора, составляющей 3000К, и удержания её в диапазоне 1600-2000К, обеспечивающем высокую скорость протекания газофазных реакций окисления СО и Нг при минимальном синтезе окиси азота NO в зоне дожигания при эжекции в дожигатель воздуха и азота из бронекамеры.
Значение оптимального соотношения % = в/ г находится в диапазоне 0,7-1,0. При % 0,75 в дожигателе возрастают температура смеси и синтез окиси азота, при X, 1,33 процесс дожигания протекает неустойчиво, а при % 1,6 наступает срыв горения. За дожигателем (в головной части выхлопного тракта) в поток продуктов сгорания впрыскивается вода в соотношении mB/mr 8/1 ( 23 м3/с), вследствие чего в смесителе образуется парогазожид-костная смесь с температурой 400К, истекающая через многоканальный насадок в гидрогаситель. При этом вследствие массо-теплообмена с водяными струями одновременно происходит резкое снижение температуры и скорости потока и, как следствие этого, диссипация его акустической энергии с трансформацией первичного аэродинамического шума двигателя во вторичный, исходящий от образовавшегося парогазожидкостного потока.
В гидрогасителе этот поток взаимодействует в кольцевой камере с большой массой оборотной воды, благодаря чему происходит дальнейшее рассеивание основной части его кинетической и тепловой энергии. В конечном счёте, охлаждённые до температуры -370К продукты сгорания выбрасываются в атмосферу через трубу рассеивания со скоростью истечения из устья трубы 30-47м/с. При этом, основная масса воды, вовлечённая в парога-зожидкостный поток, отделяется и остаётся в водообороте гидрогасителей, а часть её ( 1т/с) в виде водяного пара и мелкодисперсной капельной влаги (гидроаэрозолей) вместе с продуктами сгорания выбрасывается в атмосферу, где образует парогазогидроаэрозольное выхлопное облако.
Концепция сажеобразования в системе "ЖРД - ГОТ".
Перенесение некоторых общих закономерностей процессов образования и выгорания сажи в устройствах для сжигания углеводородных топлив (камерах сгорания газотурбинных авиационных двигателей, модельных камерах сгорания и др.), а также выводы из работ, проведенных автором ранее (см. раздел 3.1) позволили предложить концепцию образования и выгорания сажи в испытательной системе «ЖРД-ГОТ» с экспериментальным подтверждением ее путем отбора проб на присутствие сажи в характерных зонах в выхлопной струе, протекающей в канале натурного газоотводного тракта.
С точки зрения исследований сажеобразования в процессе огневых испытаний ЖРД на стендах закрытого типа испытуемый двигатель и газоотводной тракт условно можно рассматривать как некую высокофорсированную "камеру сгорания", состоящую из ряда функциональных звеньев (зон), конструктивно объединенных в единую испытательную систему «ЖРД -ГОТ», в которой неполное сгорание первичного углеводородного горючего (керосина), пиролиз непрореагировавшей с кислородом части горючего, а также дожигание продуктов неполного сгорания протекают в условиях, способствующих интенсивному сажеобразованию при отсутствии условий для выгорания образовавшихся частиц сажи.
При таком подходе в системе «ЖРД - ГОТ» можно выделить три локальных зоны, характеризующихся действием в них основных факторов, определяющих условия образования и выгорания сажи (коэффициент избытка окислителя, температура, время пребывания сажи в зоне горения, способ подачи окислителя в реакционную зону) (рис.3.1): - камера сгорания ЖРД, - выхлопной диффузор, - дожигатель.
Суть предложенной концепции сводится к следующему. В камере сгорания двигателя горение части горючего, расходуемого на внутреннее (за весное) охлаждение стенок камеры, происходит при низких значениях коэффициента избытка окислителя (06=0,3...0,4) и относительно низкой температуре горения (600... 1600К). При этом непрореагировавшая с кислородом часть горючего подвергается высокотемпературному пиролизу с образованием сажи.
Образовавшиеся частицы сажи и продукты пиролиза горючего (несго-ревшие углеводороды), взаимодействуя с ядром потока продуктов сгорания, выносятся к срезу сопла на периферию выхлопной струи. Из этого следует, что камера сгорания двигателя (ее завеса) является первичной зоной сажеоб-разования и основным источником поступления сажи и несгоревших углеводородов в газоотводной тракт.
В выхлопном диффузоре условия для выгорания сажи, образовавшейся в КС двигателя, отсутствуют, так как подвод кислорода на этом участке газоотводного тракта по проекту не был предусмотрен. В то же время несго-ревшие углеводороды здесь подвергаются дополнительному пиролизу с образованием сажи вследствие нагрева до 1800 - 2000 К от ядра выхлопной струи. Таким образом, пространство, заключенное между смежными струями по оси потока, и пристеночный слой в канале диффузора являют собой локальные зоны дополнительного (вторичного) сажеобразования.
В дожигателе локальные сажеобразуюшие зоны могут находиться как в пристеночном слое, где вследствие неорганизованного («паразитного») впрыска воды из возникающих трещин в теплозащитной облицовке происходит интенсивный теплоотвод из зоны горения (вплоть до срыва горения), так и в ядре потока - из-за дефицита кислорода, поступающего с периферии на входе в дожигатель, и недостаточно равномерного смешения его с углеводородными компонентами выхлопных газов (низкого коэффициента ОС) на ограниченной длине дожигателя ( L/D 5 при оптимальном L/D 10 - 12 ). Объективным доказательством неравномерности и несовершенства смешения реагирующих веществ с кислородом в дожигателе служит наличие в со ставе продуктов сгорания в «холодной» зоне за дожигателем непрореагиро-вавшего кислорода (5 - 10% по объему) наряду с горючими компонентами (Н2,СО, СН,С).
Одновременно эти же факторы (избыток воды в пристенке дожигателя и дефицит кислорода в ядре потока) препятствуют активному выгоранию сажи, образовавшейся в этой зоне и поступившей из диффузора. При анализе причин невыгорания (проскока) сажевых частиц в дожигателе (с периферийным подводом окислителя) необходимо учитывать также действие в том же направлении ряда других неблагоприятных факторов. В частности, это относится к особенностям закономерностей горения в условиях дефицита кислорода горючих смесей сложного состава (в нашем случае это горючие газы (Н2 , СО + конденсированная фаза: сажа и смесь несгоревших углеводородов).
В таких смесях, в первую очередь, выгорают ее газовые компоненты (Н2 и СО) в газофазных реакциях, протекающих, как известно, с высокой скоростью.
Между тем, выгорание сажи принято рассматривать как совокупность процессов ее газификации за счет взаимодействия с углекислым газом и парами воды, а также окисления за счет химической реакции со свободным кислородом. Скорость выгорания частиц сажи в общем случае определяется подводом окислителя за счет его диффузии к поверхности частицы, а также скоростью химической реакции окисления или газификации. Выгорание частиц сажи протекает при температурах 1000...2000 К и выше.
Пример расчета количества сажи в завесе камеры сгорания ЖРД (РД-171) и количества кислорода, необходимого для ее выгорания в диффузоре газоотводного тракта
В качестве горючего, используемого для внутреннего (завесного) охлаждения стенок камеры сгорания используется авиационный керосин марки Т-6 (условная химическая формула С717Н138). Удельный расход керосина на завесу (m3 ) составляет 2,3% по массе от суммарного расхода компонентов топлива ( ril CT ). Исходя из этого определяем средний массовый расход керосина на завесу двигателя РД-171. Учитывая, что в пограничном слое выхлопной струи наряду с сажей содержатся несгоревшие углеводороды (продукты пиролиза завесного горючего), то для гарантированного выгорания сажи на вход диффузора необходимо ввести дополнительное количество кислорода с тем, чтобы суммарный коэффициент избытка кислорода (а ) составил величину 1. Из конструктивных и эксплуатационных соображений принимаем aL=6. При этом, согласно проведенному газодинамическому расчету (приложение П6) , в системе "двигатель - выхлопной диффузор" гарантированно сохраняется сверхзвуковое течение, исключающее заброс продуктов сгорания и кислорода в бронекамеру на всех режимах работы двигателя. Лимитирующим по этому показателю является ввод кислорода на вход диффузора в количестве свыше 400 кг/с Определение годового экономического эффекта производим путем сопоставления приведенных затрат по базовой и новой технике. В качестве базовой техники взята существующая система дожигания выхлопных газов ЖРД с вводом жидкого кислорода на вход в дожигатель, которая используется на испытательных стендах предприятия до внедрения в производство новых систем (для ввода жидкого (газообразного) кислорода или воздуха на вход в выхлопной диффузор), разработанных на основе проведенных экспериментальных исследований.
Для каждого варианта затраты включают в себя следующие укрупненные показатели: Для 1 -го варианта (базового): 1) Стоимость жидкого кислорода, необходимого для выгорания сажи, содержащейся в выхлопных газах - (J 0 двигателя где, q, = 80,1 кг/с, удельный расход жидкого кислорода на дожигание сажи в дожигателе - Ск » 3 = 140 с - продолжительность работы испытуемого двигателя о РД-171; С\ = 4230 руб - стоимость одной тонны жидкого кислорода. Стоимость водопроводной воды, расходуемой на разбавление сажи, накопившейся в гидрогасителе за год эксплуатации стенда в соотношении "вода / сажа"при сливе в городскую канализацию - С _: где,, К = 2000 - коэффициент, определяющий степень разбавления осадка сажи согласно нормативу предельно допустимой концентрации сажи (как взвешенных веществ) для слива в канализацию ПДК =0,52 / Л; а = 75 тонн - максимальное количество сажи, накапливаюсь щейся в гидрогасителе за один год эксплуатации стендов 1,2; - стоимость 1 м3 водопроводной воды, используемой для разбавления осадка сажи. 3) Стоимость электроэнергии, расходуемой на транспортировку воды с са жей в канализацию - С : где, (jL = 0,55 - стоимость 1 квт.ч; N =55 квт - мощность электродвигателя, используемого для привода насоса; 3 = 1000 час. - продолжительность работы насоса при откачке Н 150,0 тыс.м3 воды с сажей с производительностью 150 м3/ ч; 4)
Заработная плата обслуживающего персонала при откачке воды с сажей в канализацию: где, Зи = 50 руб. - средняя часовая ставка обслуживающего персонала в расчете на 1 человека; 3=1000 час - продолжительность работы насоса; Для 2-го варианта (нового) - с вводом жидкого кислорода на вход в диффузор через водоохлаждаемые насадки: 1) Стоимость жидкого кислорода, необходимого для выгорания сажи не увеличивается по сравнению с базовым, т.к. в этом случае дополнительный его расход не требуется, а перераспределяется от расхода в дожигатель; 2) Вода не расходуется на удаление сажи из гидрогасителей в канализацию, а остается в системе оборотного водоснабжения газоотводного тракта; 3) Приведенные затраты (3) на изготовление и монтаж новой системы ввода жидкого кислорода на вход в диффузор представляет собой сумму себестоимости этого устройства и нормативной прибыли: где С - себестоимость новой системы, руб.; К - удельные капитальные вложения в производственные фонды, руб.; Е =0,15- нормативный коэффициент эффективности калита тальных вложений.
