XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование газосодержания азота в ракетном топливе и его влияние на кавитационные процессы в жидком ракетном

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гусев К.О. 1

---

1МОУ ЛИЦЕЙ №7

Кононенко Л.В. 1

---

1МОУ ЛИЦЕЙ №7

Работа в формате PDF

409.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Кавитацией называется своеобразное гидравлическое явление, заключающееся в том, что в местах потока жидкости, где статическое давление падает до значений, меньших давления парообразования, появляются пузырьки пара. Если в дальнейшем эти пузырьки попадают в область повышенного давления, то происходит их конденсация. Поскольку парообразование в жидкости возникает при той температуре, с которой она поступает в насос из баков, т. е. без подогрева, то кавитацию иногда называют «холодным кипением» жидкости.

Опыты показывают, что поверхности стенок колеса в зоне конденсации пузырьков оказываются разрушенными [1]. Стенка как бы разъедается, на ней образуются выбоины. Такое разрушение является следствием своеобразного явления, аналогичного гидравлическому удару. Конденсация пузырьков пара происходит очень быстро, практически мгновенно. Частицы жидкости устремляются в полость пузырька с большой скоростью, и если этот пузырек находился на поверхности стенки, то жидкость, резко тормозясь на поверхности, вызывает местное повышение давления и выбивает частицы металла.

В мировой практике для уменьшения кавитационного процесса применяется ряд технологических методов, называющиеся газонасыщение и дегазация.

В связи с этим, цель моей работы: Опрeделить оптимальные методы подготовки компонента ракетного жидкого топлива, обеспечивающего минимальный риск возникновения кавитационных повреждений и стабильную работу турбонасосных агрегатов, на основе экспериментального анализа проб топлива. Для достижения поставленных целей я поставил следующие задачи:

1. Опрeдeлить на чем основывается принципы дегазирования и газонасыщения;

2. Узнать их виды и их эффектность распространенности в ракетной отрасли;

3. Определить оптимальный метод подготовки ракетного топлива с целью заправки разгонного блока;

Актуальность тематики проекта

Ракетное топливо – топливо для РН, которое в результате химической реакции окисления, разложения или рекомбинации образует высокотемпературные продукты, создающие реактивную тягу при их истечении из РД.

В космической технике, на сегодняшний день, применяется ЖРТ, состоящее из горючего (нафтил) и окислителя (жидкий кислород), являющийся криогенным компонентом.

Новизна: Современное ракетно-космическая отрасль нуждается не только в качественных КА и РБ, которые позволяют выводить спутниковые системы на нужные орбиты, но и в качественном ракетном топливе, без помощи которого достичь высоких результатов не представляется возможным

1. Литературный обзор

1.1 Газонасыщение

Газонасыщение топлива газом - растворение в топливе газа (азота или гелия) до равновесного состояния. Применяется для предотвращения поглощения газа топливом, находящимся под наддувом в баке ракеты или космического корабля, и связанного с этим нарушения режима хранения ракет-носителей, космических аппаратов или работы их двигательных установок.

Газонасыщение компонентов топлива (окислителя и горючего) нейтральными газами, обычно азотом, производится для обеспечения стабильного давления в заправленных ампулизированных баках при изменении температуры окружающей среды, например, в цикле «зима-лето». Зависимость давления в газовой подушке от температуры окружающей среды особенно заметно при больших степенях заполнения баков.

Зимой температурное расслоение намного меньше, чем летом, так как охлажденная жидкость из верхних слоев опускается вниз, перемешивается с другими слоями и перепад температуры по высоте значительно сокращается.

Если жидкость не была газонасыщена, то газ из газовой подушки, куда он был подан перед ампулизацней, постепенно будет за счет диффузии растворяться в жидкости. Давление в газовой подушке уменьшится, и в дальнейшем будет определяться условиями теплообмена бака с окружающим воздухом в сооружении.

Насыщение компонентов топлива газом можно производить следующими способами:

1. адсорбция;

2. перемешиванием:

3. барботированием;

4. душированием.

Адсорбцией молекул газа жидкостью при наддуве емкости до некоторого избыточного давления, чтобы была избыточная концентрация в газе по отношению к жидкости. Данный метод требует большого времени, так как диффузионные процессы протекают медленно и поэтому на практике этот способ не применяется.

Перемешивание заключается в том, что емкость наддувается до равновесного состояния при данной средней температуре КТ, с которой он будет- заправляться в бак изделия. Подача газа прекращается и происходит интенсивное перемешивание жидкости с помощью центробежного насоса при перекачивании по замкнутому контуру до тех пор, пока по манометру не установится постоянное давление. Напорная труба, проложенная в нижней части емкости, имеет ряд отверстий, через которые жидкость вытекает в виде струй. Напор насоса и конструкция отверстий должны быть такими, чтобы затопленные струи достигали поверхности жидкости. Тогда захват частиц газа и перенос их во всю массу жидкости будет происходить интенсивно.

Как только давление понизится до какой-то установившейся величины, снова подают порцию газа и т.д., пока жидкость не насытится до расчетного равновесного давления.

Барботирование состоит в пропускании газовых пузырей через слой жидкости. Поскольку поверхность газовых пузырей намного больше свободной поверхности жидкости и движение пузырей перемешивает жидкость, то время насыщения намного меньше, чем в первом способе. Но барботирование необходимо нейтрализовать, большое количество удаляемых паров КТ, а также усложняется контроль за окончанием газонасыщения - возможен только по результатам лабораторных анализов.

Душирование заключается и распылении жидкости через форсунки в напорной трубе при наддуве емкости до равновесного давления (как при перемешивании).

Напорная труба размещается в газовой фазе. С помощью форсунок получается распыление жидкости с большой поверхностью массообмена и время процесса сокращается.

Окончание насыщения определяется по так называемому «контрольному перемешиванию». Когда давление в емкости при перемешивании перестает понижаться, то можно считать жидкость насыщенной до равновесного состояния с необходимым давлением в емкости и затем выполняют «контрольное перемешивание» - дополнительно перемешивают жидкость в течение 10-15 минут. Давление при этом должно быть практически неизменным. Затем делается выдержка жидкости примерно в течение суток для окончательного растворения пузырьков газа.

При выдаче газонасыщенного КТ в бак изделия необходимо для сохранения заданной концентрации С обеспечить одинаковое давление во всех емкостях. Рабочие емкости должны соединяться параллельно. Бак перед заправкой должен наддуваться до давления в рабочих емкостях. Проверить величину концентрации растворенного газа в рабочих емкостях перед заправкой можно с помощью манометра и датчиков температуры. Класс точности манометров должен быть не ниже первого, а количество датчиков температуры по объему жидкости должно позволять, достаточно точно оценивать действительную среднюю температуру жидкости.

1.2 Дегазирование

Дегазирование компонентов топлива выполняется в случаях использования их при пониженной гравитации, например, в КА, так как растворённый газ выделяется в виде пузырьков, которые при наличии градиентов температуры скапливаются в наиболее тёплом месте бака, у места забора в двигательную установку и включение последней не может быть гарантировано.

Известны следующие способы дегазирования жидкостей:

1. вакуумирование газовой подушки;

2. душирование;

3. барботирование инертным газом.

При дегазировании вакуумированием в емкость заливается КТ с произвольным количеством растворенного газа, который поступил в жидкость при ее хранении и транспортировке под давлением газа наддува. С помощью вакуумной установки создается пониженное давление в газовой подушке парциальное давление газа над жидкостью падает, возникает разность концентраций ∆С и газ из жидкости переходит в подушку. Поскольку скорость вакуумирования обычно выше скорости газовыделения, то вакуумный насос включается периодически. Потери на испарение в таком случаи меньше, чем при непрерывном вакуумировании. Недостаток способа - длительность процесса.

Душирование позволяет интенсифицировать процесс дегазации за счет увеличения поверхности массообмена при распылении жидкости на выходе из форсунок коллектора. Вначале в емкости с помощью вакуумной установки понижается давление примерно до 1 мм.рт.ст., затем вакуумная установка выключается и в коллектор подается дегазируемая жидкость. Недостаток этого способа - невысокая степень дегазирования. При однократном прокачивании жидкости через емкость концентрация растворенного газа уменьшается на 30-35% от исходной. Поэтому указанный способ применяется только в качестве первой операции.

Непрерывное вакуумирование при душировании нежелательно, так как будут большие потери жидкости на испарение, возникает трудная проблема защиты вакуумных насосов от паров КТ н нужны высокопроизводительные насосы, быстрота откачки которых превышала бы скорость образования пара.

Барботированис инертным газом наиболее прост в реализации и может быть использован для широкого класса жидкостей. Для предотвращения насыщения жидкости продуваемым газом необходимо, чтобы он обладал малой растворительностью. Таким свойством обладает гелий. Поэтому операцию продувки гелием иногда называют «гелированием». Пузырьки гелия дробятся, увеличиваются в размере при всплытии и соответственно возрастает поверхность массообмена. Растворенный в жидкости азот переходит в пузырьки гелия из-за разности концентрации, а гелий переходит в жидкость, т.е. азот в жидкости замещается на гелий. Но так как последний плохо растворим, то суммарный эффект приводит к дегазированию жидкости. Недостаток способа - значительный расход гелия и его дороговизна.

2. Экспериментальная часть

1 этап - Получение проб нафтила и их подготовка к анализу.

Ракетное горючее «Нафтил» (плотность 833 г/см³) газонасыщали и дегазировали при помощи доступных методов: вакуумирования газовой подушки, душирования и барботирования инертным газом.

Оборудование: Хроматографический комплекс на базе «Кристаллюкс-4000М» с комплектом из модуля ДТП, а также установка с замкнутым циркуляционным контуром для отбора проб газов, растворенных в жидких продуктах.

2 этап - Ввод пробы в хроматографическую установку с замкнутым циркуляционным контуром в результате газонасыщения и дегазирования.

Рисунок 1. Графический интерфейс пользователя

Для облегчения эксперимента было выбрано механизировать процесс, а точнее собрать установку с замкнутым циркуляционным контуром (рис. 1). После проеденного исследования массовая концентрация азота высчитывались по формулам, представленные ниже. Данные формулы были предустановлены н хроматографе, что также облегчало расчеты

Массовую концентрацию для каждого j- го газа, С_j, г/дм³ вычисляют по формуле:

где С_j - массовая концентрация растворенного газа, г/дм³;

Р_j - парциальное давление газа в пробоотборном сосуде, МПа;

t - температура в пробоотборном сосуде при проведении измерения, С;

к_t - значение коэффициента Генри при температуре измерения, г/дм^3.МПа;

M - молярная масса газа, г/моль;

R - универсальная газовая постоянная,равная 8,314 ^.10^-6 м^3.МПа/моль^.К;

V_ж - объем пробы жидкости, дм³;

V_n - вместимость пробоотборного сосуда, дм³;

ρ_∞ - плотность жидкости при температуре рабочей емкости, г/дм³;

ρ_t - плотность жидкости при температуре измерения, г/дм³.

При этом парциальное давление в пробоотборном сосуде, равное парциальному давлению в замкнутом контуре, вычисляют по формуле:

где S_j - среднее арифметическое площадей двух параллельных пиков i-го газа;

b_j - градуировочный коэффициент.

3a результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, относительное расхождение между которыми не превышает допускаемого расхождения, равного 27% для азота и 19% для гелия.

3 этап - Обработка результатов.

Исследование 1.

Рисунок 3. Хроматограмма 1 и 2

Таблица 1. Характеристики и газосодержание азота в пробах 1 и 2.

В первом опыте использовалось дегазирование вакуумированием. Это длительный процесс, который, к сожалению, по результатам анализа не показывает стабильный результат. Этот процесс, мы проводим очень долго, потому что мы, дегазируя первый раз пробу, второй и последующие разы, не получим точного газосодержания азота. На хроматограммах 1 и 2 (рис. 3) азота различается примерно на 0,1 г/дм³. Мы можем получить правильную концентрацию газосодержания азота в пробе, только проводя первое испытание. Последующие разы будет уменьшаться содержание азота, так как наша проба начинает заменяться аргоном.

Исследование 2.

Рисунок 4. Хроматограмма 3 и 4

Таблица 1. Характеристики и газосодержание азота в пробах 3 и 4.

В данном исследовании было дегазирование душированием. Данный метод позволяет, стабилизировать процесс дегазации. Этот процесс стабильный и показывает стабильные результаты, на хроматограммах 3 и 4 (рис. 4) газосодержание азота отличается примерно на 0,01 г/дм³.

Исследование 3.

Рисунок 5. Хроматограмма 5 и 6

Таблица 1. Характеристики и газосодержание азота в пробах 5 и 6.

В третьем исследовании было использовано барботирование инертный газом это довольно-таки сложный процесс, в результате которого, необходимо потом барботирование нейтрализовать, так как образуется большое количество удаляемых паров, поэтому усложняется контроль. Окончание газонасыщения можно производить только по результатам лабораторных анализов. То есть каждый процесс барботирования нужно контролировать. Этот процесс пытаются избежать и проводят его в редких случаях. Например, если проба приехала с нарушениями.

Выводы

1. Процессы дегазации и газонасыщения основаны на физических и химических механизмах, которые обеспечивают либо удаление газов из жидкостей и твердых тел, либо их введение в эти среды. Дегазация предназначена для устранения растворенных газов, что способствует улучшению стабильности и качества топлива, тогда как газонасыщение используется для обогащения среды необходимыми газами с целью повышения рабочих характеристик.

2. Классификация рассматриваемых процессов охватывает механические, термические и химические методы дегазации, а также различные техники газонасыщения, такие как барботирование. Эффективность каждого способа зависит от химического состава топлива, стандартов качества и особенностей технологического процесса. В ракетной промышленности правильное применение этих методов важно для обеспечения надежности и оптимальной работы разгонных блоков и других компонентов ракетных систем.

3. Оптимальный метод подготовки нафтила является газонасыщение перемешиванием, последующей дегозацией методом душирования, предотвращающая насыщение топлива воздухом и влагой. Этот метод упрощает подготовку и экономичен, так как использует недорогой азот. Вакуумное дегазирование позволяет многократно использовать азотную подушку для достижения концентрации примесей не более 0,2 г/дм³.

Список литературы

1. Е. Б. Волков Л. Г. Головков Т. А. Сырицин / Жидкостные ракетные двигатели // Мосвка // Военное издательство Министерства обороны СССР// 1970.

2. Дегазирование компонентов топлива/ https://studfile.net/preview/9474164/page:6/

3. Газонасыщение компонентов топлива/ https://studfile.net/preview/9474164/page:5/

4. Ракетное топливо/ https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/755236-raketnoe-toplivo/

5. Виды ракетного топлива: современные вещества и перспеткивные разработки/ https://scientificrussia.ru/articles/cem-kormat-rakety-vidy-raketnogo-topliva

6. Виды военного топлива военного назначения/ https://topwar.ru/163161-raketnye-topliva-voennogo-naznachenija.html

7. Кавитация/ https://rocketengines.ru/rocket-engines-studying/base-of-knowledges/encyclopedia/cavitation.html

8. Исследование систем снабжения стартовых позиций компонентами топлива/ https://scilead.ru/article/6415-issledovanie-sistem-snabzheniya-startovikh-po

9. НПЦ КРТ “ЦЭНКИ”/ https://www.russian.space/filialy/npts-krt.html

10. А.А. Братков, Е.П. Серегин, А.Ф. Горенков/ Химмотология ракетных и реактивных топлив// Москва//1987.

11.В. П. Глушко/ Космонавтика: Энциклопедия// Москва// Издательство “Советская энциклопедия”//1985— 528 с., ил., 29 л. ил.