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 взрывои 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 20 000 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, пожарои 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.

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.