УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИДКОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в исследовательских лабораториях для изучения коксоотложений в жидких углеводородных топливах.
Одной из важных проблем при создании новых конструкций ракетных двигателей является защита стенок камеры жидкостных ракетных двигателей от опасного перегрева. При использовании проточного охлаждения, как правило, в качестве охладителя используется само горючее, поэтому используемое топливо должно обладать высокими охлаждающими свойствами. Охлаждающие свойства топлив зависят как от теплофизических и химических свойств самого топлива, так и от стабильности его химических свойств в процессе хранения, транспортировки и применения. При применении в качестве охлаждающих жидкостей углеводородного топлива, в частности керосинов, в тракте охлаждения протекают сложные физико-химические процессы, сопровождающиеся разложением топлива при высоких температурах, осаждением отложений на стенках канала, способные привести к прогару стенок рубашки охлаждения двигателя. Поэтому для повышения надежности работы двигателей необходимы надежные методы проверки качества топлива и устройства для их реализации.
Существует множество устройств для исследования топлива. В [1] описано устройство, в котором стабильность топлива определяется в условиях однократной прокачки топлива по системе трубопроводов через трубчатый подогреватель с оценочной трубкой и подогреватель с контрольным фильтром. Образующиеся продукты окисления отлагаются на оценочной трубке и забивают поры контрольного фильтра. Испытания проводятся при давлении 0,4 МПа и температуре (150-180)°С. Качество топлива определяется по перепаду давления на указанном фильтре и по изменению цвета поверхности оценочной трубки. Изменение цвета отложений на оценочной трубке определяется визуально сравнением наиболее темных участков поверхности оценочной трубки после испытаний со специальной шкалой, имеющейся в комплекте установки, и оценивается в баллах.
Недостатками устройства являются существенные отличия в условиях проведения испытания топлив от реальных условий эксплуатации и низкая точность измерения, приводящие к тому, что предложенное устройство непригодно для исследования углеводородных ракетных топлив.
В работе [2] предлагается устройство для исследования жидкого топлива с проточным рабочим участком. Устройство состоит из расходного и приемного баков, системы трубопроводов, насоса для прокачки исследуемого топлива, запорной арматуры и рабочего участка. Устройство содержит основной и дополнительный нагреватели для нагрева исследуемого топлива до заданной температуры путем пропускания электрического тока через рабочий участок. Рабочий участок снабжен термопарами для контроля температуры исследуемого топлива и стенки рабочего участка и датчиками перепада давления.
Исследуемое топливо с помощью насоса подается из расходного бака на рабочий участок, после чего сбрасывается в приемный бак. Закономерности образования кокса в трубках определяют при постоянных режимных параметрах, при этом температура стенки рабочего участка и перепад давления в нем измеряют последовательно через заданные промежутки времени.
Недостатком устройства является недостаточная информативность устройства при проведении испытаний. Это связано с тем, что термопары, установленные дискретно с определенным шагом на рабочем участке устройства, измеряют температуру только в местах их установки. При использовании термопар возникает также дополнительная погрешность измерения, связанная со способом крепления термопар на поверхности рабочего участка.
Кроме этого, при протекании жидкого ракетного топлива в каналах и модельных трубках существуют режимы течения, при которых в топливе возникают высокочастотные пульсации давления, существенным образом влияющие на тепло- и массообмен в исследуемых объектах. Используемые в приведенных выше известных устройствах датчики давления не позволяют регистрировать указанные эффекты.
Поэтому все перечисленные выше технические решения не могут обеспечить достаточно высокую точность измерений для исследования жидкого углеводородного ракетного топлива.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка устройства для исследования жидкого ракетного топлива, имеющего более высокую точность измерения и большую информативность испытаний.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для исследования ракетного топлива, содержащем расходный и приемный баки, рабочий участок, систему трубопроводов, запорную арматуру, насос для прокачки исследуемого топлива, основной и дополнительный нагреватели, измерители расхода, температуры и давления, систему регистрации и обработки сигналов, в качестве измерителей температуры рабочего участка используют тепловизоры, при этом наружная поверхность рабочего участка покрыта слоем вещества с высоким значением степени черноты, например, окисью алюминия.
Кроме этого устройство для исследования жидкого ракетного топлива может дополнительно содержать датчик высокочастотных пульсаций давления.
Использование тепловизора позволяет получать непрерывное распределение температуры по всей длине рабочего участка и тем самым повышает информативность испытаний. Высокая точность измерения профиля температур достигается тем, что дополнительно производится калибровка системы измерения температуры (тепловизора) на образце, идентичном рабочему участку устройства с покрытием.
Покрытие наружной части рабочего участка слоем вещества с высоким значением степени черноты, например, окисью алюминия позволяет повысить уровень выходного сигнала и поддерживать значение степени черноты на постоянном уровне. Тем самым обеспечивается высокая точность измерения.
Дополнительное включение в схему устройства датчика пульсаций давления дает более полно исследовать процессы, происходящие при прохождении топлива через рабочий участок, а значит, позволяет повысить точность и качество испытаний.
2
3
На Фиг. представлена схема предложенного устройства. Устройство для исследования жидкого ракетного топлива состоит из расходного (1) и приемного (2) баков, системы трубопроводов (3), насоса (4) для прокачки исследуемого топлива, запорной арматуры (5), основного (6) и дополнительного (7) нагревателя для нагрева исследуемого топлива до заданной температуры, рабочего участка (8), датчиков расхода (9), давления (10), перепада давления (11), а также пульсаций давления (12) вблизи рабочего участка, термопар (13) для измерения температуры топлива, тепловизора (14) для измерения профиля температур на стенке рабочего участка, системы регистрации и обработки сигналов датчиков (15). В конкретном исполнении рабочий участок выполнен в виде трубки с покрытием окисью алюминия АlO с высоким значением степени черноты (степень черноты ε=0,8).
Устройство работает следующим образом. Исследуемое топливо с помощью насоса перекачивается из расходного бака через дополнительный нагреватель и рабочий участок в приемный бак. При этом контролируются основные параметры топлива: расход, температура, давление, а также температура рабочего участка и перепад давления на нем. При прохождении рабочего участка топливо нагревается до заданной температуры с помощью основного нагревателя. При этом с помощью тепловизора измеряется профиль температур на стенках рабочего участка и дополнительно пульсации давления топлива. По полученным результатам после их обработки устанавливаются основные закономерности тепло- и массообмена, а также коксоотложения при протекании углеводородных топлив и, в конечном счете, определяется качество исследуемого жидкого ракетного топлива.
Предложенная полезная модель реализована на действующей установке по исследованию охлаждающих свойств жидких ракетных топлив. Данное устройство обеспечивает более высокую точность измерения и большую информативность испытаний.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 17751-79. Метод определения термоокислительной стабильности топлив в динамических условиях.
2. Мякочин А.С., Яновский Л.С. Образование отложений в топливных системах силовых установок и методы их подавления. - М.: Издательство МАИ, 2001, (стр.18-26).