Топливо для гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя
SUPERSONIC COMBUSTION RAMJET FUEL

Настоящее изобретение относится к топливам для реактивных двигателей, в частности к составам углеводородных топлив, содержащих присадки (промоторы горения), повышающие значение нормальной скорости горения и сокращающие период задержки воспламенения углеводородного топлива.
Известно, что одним из наиболее эффективных методов увеличения нормальной скорости горения и сокращения периода задержки воспламенения является введение в топливо активирующих добавок - промоторов горения [1], к которым относятся органические пероксиды.
Известна добавка к углеводородному топливу [4], состоящая из галогенизированного углеводорода, гидропероксида (гидропероксида кумила или третичного гидропероксида бутила), нафталина или алкилпроизводных нафталина и органического растворителя, добавляемая к углеводородному топливу типа мазута, дизельного топлива или бензина в количестве 1-2 части на тысячу и улучшающая стартовые особенности дизельного топлива и далее улучшающая эффективность сгорания. По мнению авторов, пероксид бензоила наименее предпочтителен в качестве гидропероксида, включаемого в добавку. Данное изобретение предполагалось использовать в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания.
Известна добавка к бензину и дизельному топливу [3], состоящая из спирта, толуола и пероксида водорода в пропорции 16/18/1 для повышения октанового и цетанового числа и увеличения эффективности сжигания топлива. Данное изобретение предполагалось использовать также в качестве добавки к углеводородному реактивному топливу.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является «Топливо для импульсно детонационного двигателя» [5]. Имея существенные преимущества перед предшествовавшими аналогами, указанному техническому решению присущи некоторые недостатки: пероксид бензоила, используемый в добавке, является ароматическим соединением, повышающим нагарообразующую способность топлива, кроме этого, данная присадка является твердым веществом, нерастворимым в углеводородных горючих, требующим предварительного растворения в бензоле, который также является ароматическим соединением, и, в случае использования данной присадки к топливу для ГПВРД, скорость горения топлива будет снижаться из-за образования нагара на стенках камеры сгорания.
Технической задачей настоящего изобретения является создание топлива для ГПВРД с увеличенной нормальной скоростью горения и уменьшенным периодом задержки воспламенения при сжигании в камере ГПВРД путем введении в него добавки, состоящей из ТБГП, для получения состава углеводородного топлива для ГПВРД на основе синтетического высокоплотного горючего Т-10 с составом (мас.%):
горючее Т-10
95,495-94,492
трет-бутигидропероксид
4,5-5,5
ионол
0,005-0,008
Сравнительный анализ технического решения с известным показывает, что заявляемое техническое решение отличается тем, что топливная композиция содержит 4,5-5,5% ТБГП и 0,005-0,008% ионола. ТБГП по сравнению с пероксидом бензоила обладает меньшей нагарообразующей способностью и не требует дополнительного растворения для введения в топливо. Также топливная композиция, содержащая 4,5-5,5% ТБГП в сравнении с наиболее близким аналогом, содержащим в топливной композиции 0,7-1% ТБГП [6], обладает более высокими показателями нормальной скорости горения и меньшим периодом задержки воспламенения. Также предлагаемая топливная композиция Т-10 и 4,5-5,5% ТБГП обладает меньшими концентрационными приделами воспламенения в сравнении с ранее предложенными составами [6]. Добавление антиоксиданта ионола 0,005-0,008% к топливной композиции позволяет повысить сохраняемость, продлить сроки хранения топливной композиции и увеличить надежности эксплуатации ГПВРД [8, 9].
Топливную композицию согласно данному изобретению готовят путем непосредственного введения расчетного количества промотирующей присадки и антиоксиданта непосредственно в горючее.
Активирующий эффект ТБГП обусловлен заменой первичного разложения углеводородного горючего более энергетически выгодной реакцией разложения продетонатора. По литературным данным [2] разложение продетонаторов происходит с энергией активации 0,12 - 0,14 МДж/моль вместо 0,37-0,49 МДж/моль в случае углеводородов. Кроме того, наряду с первичным разложением углеводородов возможна замена углеводородных радикалов атомами кислорода, которые служат центрами высокотемпературного воспламенения. Присадка ТБГП к горючему Т-10 оказывает влияние на увеличение кислотности топливной композиции в целом вследствие окисления углеводородного горючего и несколько снижает температуру воспламенения топливной композиции.
Полезность присадки ТБГП и ионола к горючему Т-10 и их массовое содержание в топливной композиции ТБГП 4,5-5,5%, ионол 0,005-0,008% станет очевидна из следующего примера.
ПРИМЕР
Приготовлена согласно данному изобретению топливная композиция с следующим составом (мас.%):
горючее Т-10
95,495-94,492
трет-бутигидропероксид
4,5-5,5
ионол
0,005-0,008
В качестве топливно-воздушной смеси использовали стехиометрическую смесь паров приготовленной топливной композиции на основе горючего Т-10 с воздухом.
Активность горения топливной композиции проводились на лабораторной установке по оценке характеристик горения углеводородных горючих для перспективных двигателей [7, 10]. Конструктивное исполнение лабораторной установки обеспечивает варьирование независимыми факторами процесса: температурой и давлением смеси, количеством вводимого топлива или смеси (жидкость или газ), а также работать от сети с напряжением 220 В и частотой тока 50 Гц.
Установка обеспечивает определение следующих характеристик сгорания:
- нормальных скоростей распространения пламени в газовых и капельно-газовых смесях при начальных температурах от 273 до 600 К и давлениях до 5,0 МПа;
- задержек самовоспламенения указанных смесей при температурах до 1000 К в миллисекундном диапазоне.
Внутренняя поверхность реактора инертна к используемым веществам и продуктам их горения и не обладает каталитическим и другими эффектами, влияющими на скорость горения испытуемых горючих.
Система подготовки и ввода смеси обеспечивает работу как с газообразным, в том числе и смесевым, так и жидким топливом.
На установке предусмотрена возможность отбора проб продуктов сгорания для проведения анализа их состава с использованием современных физико-химических методов исследований.
Исследуемую топливную композицию готовили в мерной емкости и выдерживали там для лучшего перемешивания в течение нескольких часов. Топливно-воздушную смесь готовили непосредственно в смесителе установки, нагретом до температуры, при которой заранее отмеренное количество топлива полностью испаряется в нем, вводится в вакуумированный (или частично заполненный воздухом) смеситель с помощью шприца. По заданному коэффициенту избытка воздуха, зная молекулярную массу топливной композиции и коэффициент соотношения окислителя, рассчитывают ее объем, который необходимо подать в смеситель. Объем подаваемого горючего (его доля в объеме смесителя) контролируется по изменению давления.
После этого смесь вводится в реактор через клапан с регулируемой длительностью перепуска.
Топливная композиция нагревалась в смесителе до 200°С в течение 20 с, затем топливно-воздушная смесь вводится через электромагнитный клапан в камеру сгорания с температурами 300, 350, 400, 450°С.
Полученные экспериментальные данные нормальной скорости горения и периода задержки воспламенения предлагаемой топливной композиции для ГПВРД представлены в таблице 1.
Согласно представленным экспериментальным данным при увеличении температуры в камере сгорания нормальная скорость горения возрастает, а ПЗВ - сокращается.
Также экспериментально установлено, что при дальнейшем повышении концентрации ТБГП в горючем Т-10 рост скорости нормального горения и сокращение ПЗВ очень незначительно, но при этом увеличивается кислотность топливной композиции, что усложняет и ухудшает эксплуатационные свойства топливной композиции.
В свою очередь, добавление антиоксиданта - ионол к топливной композиции в количестве 0,005-0,008% позволило достичь повышения сохраняемости, продления сроков хранения топливной композиции от 6 до 8 мес против 1-2 мес без добавления антиоксиданта.
Представленная топливная композиция решает проблему создания быстрогорящего углеводородного топлива для ГПВРД, с повышенной сохраняемостью, на основе синтетического высокоплотного горючего Т-10.
Источники информации
1. Заманский В.М., Борисов А.А. Механизм и промотирование самовоспламенения перспективных топлив // Итоги науки и техники. Кинетика и катализ. - М.: ВИНИТИ. - 1989. - Т. 19. - С. 87-98.
2. Вильямс Ф.А. Теория горения. - М.: Издательство «Наука» главная редакция физико-математической литературы. - 1971. - С. 250-270.
3. Патент US №4294586, 1981 г.
4. Патент US №4286969, 1981 г.
5. Патент RU №2387701, 2008 г.
6. Патент RU №2484123, 2013 г.
7. СТО 08151164-0144-2013.
8. Позина М.Е. Перекись водорода и перекисные соединения. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы. - 1951. - С. 255-270.
9. Шамб У., Сеттерфилд Ч., Вентворс Р. Перекись водорода. - М.: Издательство иностранной литературы. - 1958, С. 445-453.
10. Забайкин В.А., Кобыжский С.А., Петров М.Д. Организация горения керосина в модельном ГПВРД // Физика горения и взрыва. - 1992. - №4. - С. 18-26.