Создание материально-технической базы для разработки технологий эффективного сжигания композитных топлив с высокоэнергетичными нанокомпонентами в камерах сгорания перспективных реактивных и авиационных поршневых двигателей

А.М. Старик,
 нач. отд. 600, д.ф-м.н. проф.,

В.И. Бабарыкин

советн.. ген.. дир. по капит. строит., к.э.н.,

ФГУП «ЦИАМ им. П. И. Баранова», г. Москва

Comprehensive analysis of the possibility of the creation and development of novel complex of experimental facilities, involving modern spectroscopic diagnostic systems, to investigate the novel combustion concepts based on the usage of novel composite fuels with highly energetic nanocomponents and plasma based technologies is performed.  The project deals with novel combustion concepts for the perspective internal combustion engines (homogeneous charge compression ignition), air breathing jet engines for high speed aircraft.

 

Проведен комплексный анализ возможности создания и разработки перспективного комплекса экспериментальных установок, включающего современные системы спектроскопической диагностики, для исследования новых методов горения, основанных на применении топливных смесей с добавками высокоэнергетичных нанокомпонентов и плазменных технологий. Проект основан на использовании новых методов горения в перспективных двигателях внутреннего сгорания (с гомогенным воспламенением при сжатии), а также в воздушно-реактивных двигателях высокоскоростных летательных аппаратов.

 

В последние годы прослеживается мировая тенденция по использованию новых термодинамических циклов, новых принципов работы, основанных на достижениях фундаментальной науки или с освоением новых диапазонов применения для «традиционных» реактивных двигателей. Для этого требуется детальное исследование рабочего процесса в камерах сгорания новых типов двигателей (ГТД нового поколения с уменьшенным расходом топлива и пониженной эмиссией вредных веществ, детонационные, аэрокосмические двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета, двигатели с использованием высокоэнергетических топлив с наночастицами металлов и металлоидов). При этом огромную перспективу по улучшению характеристик перспективных камер сгорания для реактивных двигателей приобретают инновационные методы организации и управления процессами воспламенения и горения с использованием возбуждения молекул реагентов с помощью резонансного лазерного излучения или специального электрического разряда и использованию новых высокоэнергетических композитных топлив.

ЦИАМ является пионером в исследованиях, направленных на управление процессами горения с помощью резонансного лазерного излучения или специального электрического разряда путем возбуждения внутренних степеней свободы молекул, а также на поиск средств и создание устройств, позволяющих реализовать такое воздействие на поток с малыми энергетическими затратами, с целью увеличения эффективности сжигания традиционных и новых топлив.

Для ГТД нового поколения критичным является обеспечение норм по эмиссии вредных веществ. В настоящее время в ЦИАМ разработан новый метод существенного снижения эмиссии экологически опасных соединений при горении различных топлив, включая авиационный керосин, а также синтетические и альтернативные топлива, при организации горения даже в укороченных камерах сгорания без снижения термодинамической эффективности процесса горения. Этот метод основан на инициировании энергетически разветвленных цепных реакций и во много раз превосходит по эффективности существующие в настоящее время методы.

Одним из возможных путей дальнейшего развития реактивных двигателей является применение более эффективных химических топлив. В зависимости от типа реактивного двигателя основным требованием к потребляемому им топливу может быть либо максимально-возможная теплотворная способность, либо максимальная работоспособность продуктов горения. Так, в воздушно-реактивных двигателях (ВРД) дозвуковых самолетов, использующих для создания тяги подогрев воздуха, максимальная экономичность обеспечивается использованием топлива с наибольшей теплотворной способностью. С увеличением потребной удельной тяги ВРД максимальная экономичность будет достигаться при использовании топлива с наибольшей работоспособностью продуктов горения.

Повышение энергетических характеристик топлив возможно за счет использования новых топливных композиций. Среди них чаще всего упоминаются топлива на основе фторсодержащих окислителей (CIF2, NFO3, N2F4) и горючих - металлов (Li, A1, К, Mg, Be), металлоидов (в основном В) и их гидридов (LiH, В2Н6 и т.д.). Однако, трудностей подачи порошкообразного горючего в камеру сгорания подобные топлива не получили пока широкого распространения.

Более предпочтительным представляется другой путь - использование композитных топлив, содержащих наряду с традиционным жидким горючим, например, таким как керосин, также и добавки перечисленных выше твердых высокоэнергетических компонентов. Как уже говорилось, основная трудность на пути использования подобных композитных двух- или многокомпонентных состоит в хранении и подаче композитного металлизированного горючего в камеру сгорания. Тем не менее, подача в камеру взвеси жидкости и дисперсных частиц с массовой долей последних в 5-20% представляется менее проблематичной, чем подача чистого порошка. Важной является также проблема сведения к минимуму потерь, обусловленных неравновесностью расширения продуктов горения, содержащих конденсированную фазу. Перспективы решения этой и других задач открываются в последнее время в виду значительного прогресса, достигнутого в нанотехнологиях и физике кластеров.

В последние годы интенсивно исследуются возможности увеличения энергетической эффективности топлив, использующихся в реактивных двигателях различного назначения. Развиваются и методы получения таких топлив. В частности, развивается метод механической активации смесей энергоемких материалов и создания механоактивированных энергетических композитов (МАЭК). Эти направления являются новыми и их возможности реализованы далеко не полностью. Следует отметить, что работы в этих направлениях ведутся широким фронтом в США, Франции, Англии, Германии, Японии, Австралии, Китае.

 

Работы по анализу применения композитных топлив для улучшения характеристик реактивных и других типов двигателей ведутся и в ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» уже в течение нескольких лет и за это время были получены новые пионерские результаты.

Проведен анализ энергетической эффективности комбинированных углеводородных топлив с включением неметаллических и металлических нанокомпонентов. Установлено, что для увеличения теплотворной способности жидкого углеводородного горючего к нему необходимо добавить частицы из твердого горючего с более высокой теплотой сгорания. Увеличения теплотворной способности керосина можно добиться при добавлении к нему В, Li, Be, LiH, ВеН2, а более высокую, чем у керосина, работоспособность продуктов сгорания двухкомпонентного горючего можно получить при использовании следующих добавок - Al, Li, Mg, Be, В, AIH3, MgH2, ВеН2.

Показана возможность повышения экономичности турбореактивного двигателя дозвукового самолета за счет применения двухкомпонентного топлива, содержащего частицы из твердого горючего с более высокой теплотворной способностью (В). Так, при 20% содержании бора в двухкомпонентном горючем можно уменьшить потребный расход топлива на 5%. Еще большую экономию топлива можно получить, если добавлять к керосину дигидрид бериллия), при 20% содержании дигидрида бериллия относительное уменьшение расхода топлива составляет 12%.

Доказано, что использование двухкомпонентного композитного топлива, содержащего жидкий углеводород и частицы из твердого горючего (Al, Mg, В, Be) в двигательных установках космических аппаратов позволяет увеличить удельный импульс и массу полезного груза (ПГ), доставляемого на геостационарную орбиту (ГСО). Так, например, при подмешивании к керосину бериллия, при коэффициенте избытка кислорода α=0,5 удельный импульс двигателя, работающего на топливе (керосин+бериллий)/кислород достигает значений 4100 м/с, характерных для водородно-кислородного топлива. В зависимости от схемы выведения относительное увеличение ПГ, выводимого на ГСО, вследствие применения двухкомпонентного топлива, содержащего жидкий углеводород и частицы из твердого горючего ( Al, Mg, В, Be) даже в количестве 20%, может составлять 17-23% для Be и 10-13% для А1 и В.

Экспериментально установлено, что добавление к углеводородному топливу - декану, моделирующему авиационный керосин, небольшого количества наночастиц алюминия (2,5%) с диаметром 20 нм значительно влияет на характеристики воспламенения и горения топлива, а именно, способствует более быстрому выделению тепла и увеличению температуры продуктов сгорания по сравнению с горением однокомпонентного топлива - декана. При 2,5% содержании наночастиц А1 в декане увеличение температуры составило 450 К. Это должно привести к приращению удельного импульса на ≈17%.

В настоящее время исследования проводятся на лабораторных установках, на упрощенных горелках в условиях, которые не соответствуют условиям в реальных камерах сгорания. Для реализуемых лабораторных условий и используемых упрощенных экспериментальных горелок получены экспериментальные результаты, подтверждающие правильность разработанных физико-химических моделей и эффективность предложенных методов управления процессами воспламенения и горения и возможности существенного улучшения характеристик реактивных двигателей различных типов.

В НИЦ ЦИАМ созданы уникальные стенды, позволяющие испытывать камеры сгорания различных двигателей, а также сами двигатели в высотных условиях. Однако, как правило, из-за сложности стендов, испытаний и объектов, с учетом требований безопасности работы эти стенды не дают возможности использовать тот спектр диагностических средств, который приведен выше, и который используется на физических установках. Немаловажным фактором является и стоимость испытаний на таких стендах. Эти стенды не «приспособлены» для проведения экспериментальных исследований, а служат для финальной проверки работоспособности двигателя или камеры сгорания.

Таким образом, для повышения эффективности исследований и снижения их стоимости запланировано создание нескольких экспериментальных установок для исследования особенностей рабочего процесса в камерах сгорания перспективных двигателей на упрощенных моделях узлов и камеры с использованием возбуждения молекул реагентов для инициирования энергетически разветвлённых цепных реакций резонансным лазерным излучением и специально организованным электрическим разрядом для управления процессом горения, а также процессов горения при использовании композитных топлив с высокоэнергетичными нанокомпонентами и разработки технологий эффективного сжигания таких топлив в камерах сгорания реактивных двигателей и авиационных поршневых двигателей.

Таким образом, в результате создания новых экспериментальных установок будет обеспечен весь цикл поисковых НИР от 1-го (физическая лаборатория) до 4-го уровня технологической готовности по исследованию инновационных методов организации эффективного процесса горения в камерах сгорания перспективных реактивных и авиационных поршневых двигателей.

Состав экспериментальных установок для исследования процесса горения в камерах сгорания перспективных двигателей, диагностического комплекса и  средств обработки результатов эксперимента

Состав экспериментальных установок

Установка для исследования интенсификации процесса горения в сверхзвуковом потоке   при воздействии резонансного лазерного излучения и специально организованного электрического разряда и при использовании композитных топлив с высокоэнергетичными нанокомпонентами применительно к камерам сгорния ПВРД;

·      Установка для исследования процессов горения в камерах сгорания ГТД и ГТУ при использовании традиционных углеводородных, синтетических и альтернативных топлив при инициирования энергетически разветвленных цепных реакций резонансным лазерным излучением и специально организованным электрическим разрядом  для управления   процессом горения, а также при использовании композитных топлив с высокоэнергетичными нанокомпонентами.

·      Установка для исследования управления процессом горения в авиационных поршневых двигателях и в двигателях внутреннего сгорания при инициирования энергетически разветвленных цепных реакций резонансным лазерным излучением и специально организованным электрическим разрядом и при использовании композитных топлив с высокоэнергетичными нанокомпонентами.

Диагностический комплекс

Для успешного решения поставленных задач и использования создаваемых установок важную роль играет получение информации в зонах реагирующих газовых смесей о температуре, функциях распределения молекул по внутренним степеням свободы, компонентного состава газовых сред, о полях скоростей частиц при исследованиях процессов горения, в том числе и с участием наночастиц. С этой целью планируется создание и использование диагностических комплексов, в основе работы которых лежат современные методы оптической спектроскопии газов, такие, как когерентное анти-Стоксово рассеяние света (КАРС) и лазерно-индуцированная флюоресценция (ЛИФ), эмиссионная спектроскопия, масс-спектрометрия, хроматография, дифференциальный анализатор мобильности аэрозольных частиц, Рамановская спектроскопия, система определения размеров частиц нано- и микрометрового размера в жидких углеводородных топливах, электронный и атомно-силовой микроскопы высокого разрешения, уникальные лазеры с возможностью прецизионной настройки на линии переходов исследуемых атомов, молекул и радикалов, а также высокочувствительные многоканальные приемные устройства, позволяющие одновременно за длительность одного лазерного импульса (10 нс) регистрировать спектры нескольких газовых компонент. Будет также использоваться регистрация эмиссионных спектров с применением спектральной аппаратуры и специальных фильтров в сочетании с высокочувствительными скоростными многоканальными приемниками.

Учитывая важность диагностики частиц, образуемых в процессе распыления топлива и при их формирования в процессе горения, а также получения информации о двумерном поле скоростей диагностическая аппаратура доукомплектовывается специальным Nd:YAG - лазером, позволяющим генерировать последовательность из двух импульсов с изменяемым временем задержки между ними в пределах 1-1000 мкс. Это дает возможность получать два сдвинутых во времени изображения поля частиц и анализировать их скорости.

Для регистрации изображений и полей температур камеры доукомплектовываются скоростными и высокочувствительными фотоприемниками, а также тепловизором, работающим до температуры 2000 К.

Литература

1.  Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения // Труды ЦИАМ №1348 / Под редакцией А.М.Старика - Москва. Изд.ТОРУС ПРЕСС, 2011. - 864с.

2.  Безгин Л.В., Копченов В.И., Титова Н.С., Старик А.М. Численное моделирование образования NOx в модельной камере сгорания высокоскоростного воздушно-реактивного двигателя на водороде // Горение и взрыв, Вып. 6. / Под ред. С.М. Фролов, ТОРУС-ПРЕСС, 2013.

3.  А.М. Starik, N.S. Titova, V.E. Kozlov On the influence of singlet oxygen molecules on characteristics of HCCI combustion: a numerical study//Combustion Theory and Modelling, 2013, doi: 10.1080/13647830.2013.783238.