ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЬНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ

Безопасность водородной энергетики HYDROGEN ENERGY AND TRANSPORT

Safety of hydrogen energy

УДК 629.7.036.54

ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЬНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ

А. Г. Галеев

Member of International Editorial Board

ФГУП «НИИХИММАШ» г. Сергиев Посад, Московская обл., 141300, Россия Факс: (495) 221-62-82; e-mail: mail@niichimmach.ru

The present paper is surveying methods of assuring safety when making static tests of rocket engines and components involving hydrogen emission.

Also, there is shown an experience in developing devices for igniting and flaring-off hydrogen emissions to ensure safety of test operations. The developed techniques and devices were embodied in safety systems at NIICHIMMASH test facilities during tests of the KVD1, D57, RD-0120 engines and a number of power plants (blocks KRB, "Ts" of launch vehicles "Energia").

Введение

При проведении стендовых испытаний двигательных установок на водородном топливе аварийные ситуации могут быть вызваны:

— конденсацией и накоплением кристаллов твердого воздуха или кислорода в жидком водороде;

— образованием взрыво- или пожароопасных смесей при утечках или выбросах водорода в окружающее пространство.

Аварийная ситуация в первом случае возникает, как правило, при многократном использовании системы с водородом, в результате чего может произойти накопление твердого осадка (например, в емкости), или, во втором случае, при одновременном разрушении водородного и кислородного баков и выбросах компонентов. В качестве примера можно привести взрыв, произошедший на одном из американских стендов при исследовании процесса сверхзвукового истечения водорода из сопла с расходом 27 кг/с. Во взрыве в этом случае участвовало только 10 % из 900 кг выброшенного водорода, но системам стенда были нанесены значительные повреждения.

Обеспечение безопасности испытаний требует:

— повышения норм к герметичности узлов стенда и изделия;

— контроля опасных накоплений водорода и применения систем флегматизации в отсеках изделия и испытательного стенда;

— исключения контакта водорода с воздухом или окислителем (кислородом) в полостях изделия и коммуникациях стенда;

— применения систем воспламенения и дожигания водородных выбросов из изделия и систем стенда.

Первые три мероприятия являются необходимыми, но не могут обеспечить полной безопасности, четвертое мероприятие является эффективным средством по предотвращению аварийной ситуации при проведении стендовых испытаний изделий и их агрегатов, сопровождающихся выбросами водорода.

Обеспечение безопасности испытаний двигателей и их агрегатов

В обычных условиях водородно-воздушная или водородно-кислородная смеси является смесями квазиравновесного состава, для воспламенения которых необходим внешний источник энергии, ускоряющий химическую реакцию. Минимальная энергия и наименьшая температура тела, приводящая к самовоспламенению водородно-воздушной смеси, определенная экспериментально, составляет 0,02 мДж и 700 К, соответственно [1].

Доклад на Первом Всемирном конгрессе «Альтернативная энергетика и экология» WCAEE-2006, 21—25 августа 2006 г., Волга, Россия.

Paper at the First International Congress "Alternative energy and ecology" WCAEE-2006, August 21—25, Volga, Russia.

Более опасным по своим последствиям является детонация (взрыв) водородных смесей. При этом опасность взрыва усугубляется тем, что пределы детонации находятся внутри области воспламенения. Для возникновения детонации, помимо наличия горючей смеси, необходим соответствующий источник инициирования. Было установлено [2, 3], что в водородно-воз-душных смесях, близких к стехиометрическим, ударные волны могут возникать и в свободном пространстве при наличии достаточно мощного источника воспламенения. При этом минимальный критический размер ударной волны, необходимый для возбуждения сферической детонации, составляет 0,5 м. При разбавлении смеси азотом критический размер ударной волны увеличивается. Так, например, при 100 % разбавлении воздуха азотом критический размер ударной волны составляет 1,1 м.

В начальной стадии работ с водородом не было единого мнения о целесообразности дожигания всех видов выбросов водорода. Так, фирма «Pratt & Whitney» (США) придерживалась мнения, что сжигание всего количества выбрасываемого водорода гарантирует полную безопасность испытаний. Поэтому над всеми вентиляционными трубами сброса водорода испытательных стендов поддерживалось пламя газообразного пропана. Фирма «Duglas Aircraft Company» (США) считала достаточным выпускать газообразный водород в малых количествах через вертикальную трубу, находящуюся на значительном удалении от мест проведения испытаний, без его дожигания.

В России, на стендах НИИХИММАШ в процессе проведения испытаний дожигаются выбросы водорода с расходами более 0,5 кг/с. При меньших расходах водород не дожигается, а отводится из технологических систем испытательного стенда и сбрасывается в атмосферу через дренажные выводы с балластировкой инертным газом — азотом.

При создании системы воспламенения и дожигания выбросов водорода обеспечивается выбор:

— поджигающего устройства (ПУ) и метода зажигания;

— параметров поджигающего устройства.

Метод зажигания выбирается исходя из условий проведения испытания: продолжительности и многократности включения. При этом должна быть обеспечена надежность воспламенения выбросов водорода, безопасность и простота эксплуатации устройства.

Исследования распределения концентраций водорода в затопленной сверхзвуковой струе, истекающей из сопла, показали, что для воспламенения выбросов водорода за соплом двигателя необходим источник с длиной факела не менее 0,3 м при расположении ПУ у выходного сечения сопла [3].

В случае расположения ПУ на расстоянии 2...2,5 м от сопла (из-за установки, например,

дополнительного оборудования) необходим источник для поджигания с длиной факела 3...3,5м.

В [3] исследованы различные типы поджигающих устройств, конструктивные схемы некоторых из них представлены на рис. 1.

1 4

2

3

2

а б в

Рис. 1. Схемы поджигающих устройств: а) с пирозапалом; б) эжекторного типа; в) двухкомпонентного типа: 1 — сверхзвуковое сопло; 2 — боковые отверстия; 3 — камера; 4 — насадки; 5 — электрическая свеча; 6 —воспламенитель; 7 — пирозапал; 8 — камера разогрева водорода; 9 — форкамера

Разработаны рекомендации по выбору параметров и типов ПУ для воспламенения выбросов водорода в стендовых условиях.

Так, при испытании двигателей:

— однократного включения можно применять ПУ с пороховым зарядом, например, с временем горения 11с и длиной факела 1ф = 0,3...1,0 м;

— многократного включения и в стендовых дожигателях целесообразно использовать струйные ПУ с электроискровым зажиганием, работающие на газообразном водороде и эжектируе-мом воздухе;

— с истечением газов в замкнутый объем или в среду с повышенным содержанием инертного газа следует применять ПУ двухкомпонентного типа с подачей водорода и воздуха от стендовых систем или ПУ с пороховым зарядом.

Для примера приводятся принципиальные схемы некоторых устройств для воспламенения водородных выбросов, которые применялись на стендах в процессе испытаний кислородно-водородных двигателей КВД1, Д57, РД-0120 и ряда энергетических установок.

На рис. 2 представлена схема установки поджигающих устройств для воспламенения выбросов из сопла камеры сгорания двигателя.

а б

Рис. 2. Схемы установки ПУ для воспламенения выбросов: а, б — однократного; в — многократного включения: 1 — камера; 2 — пирозапалы; 3 — кольцо со штативом; 4 — ПУ многократного включения

На рис. 3 представлена схема устройства для дожигания выбросов водорода с кислородом окружающей среды при испытаниях газогенераторов, ТНА и проведении технологических операций на стенде.

8

H

3

А. Г. Галеев

Проблемы обеспечения безопасности стендовых испытаний двигательных и энергетических установок на водородном топливе

Зона смешения

Рис. 3. Стендовый дожигатель блочный:

1 — агрегат зажигания;

2 — ПУ;

3 — электросвечи;

4 — выхлопное устройство с газовым затвором;

5 — факел ПУ

= 0,1 кг/с

Оптимизация процесса дожигания выбросов водорода

при испытаниях камер сгорания ЖРД

При запуске камеры сгорания на стенде с вытеснительной системой подачи компонентов воспламенение выбросов водорода за соплом может происходить со взрывом [2].

Воспламенение выбросов водорода за соплом камеры сгорания во многом зависит от протекания переходных режимов в системе подачи газообразного водорода. Запуск можно проводить по различным схемам:

— с предварительной настройкой газового редуктора;

— с регулируемым выводом газового редуктора на режим.

При запуске по первой схеме из-за нестабильности переходного режима процесс смесеобразования водорода с воздухом устанавливается с колебаниями и наблюдаются задержки воспламенения до тз = 0,5...0,9 с. Это приводит к тому, что в воспламенении участвует большой объем образуемой смеси водорода с воздухом и, как следствие, величина ударной волны при воспламенении выбросов водорода из сопла камеры двигателя Д57 составляла АРш = 0,4...0,6 кгс/см2 (измеряется на расстоянии ~10 м от сопла).

При запуске по второй схеме время выхода редуктора подачи на предварительный режим составляло 0,8...1,0с и обеспечивалось стабильное и устойчивое воспламенение выбросов водорода за соплом с тз = 0,12...0,25 с, при этом замеренная величина АРш = 0,05...0,2 кгс/см2.

Величина ударной волны при взрыве на поверхности земли может быть оценена по формуле М. А. Садовского:

(

АРт =

1,06 + 4,3 • Чв 14 • Ч&

\

R

R2

R3

• VB, кгс/см2,

где R — расстояние от центра взрыва, м; В -масса заряда тротила, определяемая соотношением В = zC3тВ ; z — коэффициент использования водорода во взрыве для случая истечения и смешения с Re >>Re ; (z =0,42, в нашем слу-

кр7 v max J

чае z « 0,15); Re — критерий Рейнольдса; Сэ = = 10,4 — тротиловый эквивалент водородно-воз-душной смеси в стехиометрическом соотношении; m — масса выброшенного водорода из сопла изделия при опережающей подаче до момента воспламенения.

Формула (1) справедлива для значений приведенного расстояния от центра взрыва:

Я = 1 -15.

Расчетные значения величин ударных волн, определенные по формуле (1) на расстоянии ~ 10 м при воспламенении выбросов водорода с воздухом, приведены на рис. 4. Там же представлены результаты, полученные при экспериментальной проверке системы с помощью акустического датчика ЛХ-610.

Было выявлено, что с увеличением градиента нарастания расхода (д) задержка воспламенения выбросов уменьшается. Вполне очевидно, что уменьшение времени задержки воспламенения уменьшает величину ударной волны при воспламенении выбросов водорода за соплом.

0 1 2 3 4 5 шв, кг

Рис.4. График зависимости величины АРш = /[т) при воспламенении водорода в струе

Экспериментальная зависимость времени задержки воспламенения выбросов от градиента нарастания расхода приведена на рис. 5; она может быть аппроксимирована эмпирической зависимостью:

Тз = 0£7 - 0,075,

dm кг/с где д = — -Ю-1—<— . d т с

Из графика (см. рис. 4), принимая за допустимую безопасную величину ударной волны при воспламенении выбросов водорода (АРш)доп = = 0,4...0,5 кгс/см2, можно получить величину максимального выброса водорода, при которой обеспечивается безопасность запуска. Эта величина равна 3... 5 кг водорода.

q

— запуск по первой схеме • — запуск по второй схеме

Рис. 5. График зависимости тз = f I | при воспламене-

4 dm d т

—.10

dT

-1 кг/с с

нии выбросов водорода за соплом камеры двигателя

Рис. 6. Схема установки ракетного блока КРБ на стенде для проведения комплексных холодных и огневых испытаний

На основании исследований для класса двигателей с расходом водорода до 14 кг/с установлено, что оптимальным режимом выхода редуктора подачи является градиент нарастания рас-

ёт „_. .„ кг/с

хода -= 20...40 —— .

ё т с

Предложенная схема запуска с регулируемым выводом редуктора подачи горючего на режим была реализована при испытаниях камеры двигателя Д57 и позволила уменьшить величину ударной волны в процессе воспламенения выбросов водорода за сопловым устройством на 30...40 % [3].

Обеспечение безопасности испытаний ДУ на стенде

Наиболее опасными являются испытания водородно-кислородных ДУ, т. к. возможна разгерметизация топливной системы при отказе двигателя. Поэтому огневые испытания кислородно-водородных ДУ должны проводиться с выполнением специальных мероприятий по безопасности систем ДУ и стенда.

На первые испытания ДУ выполняется с более упрочненными баками, до начала испытаний в составе ДУ двигатель должен иметь коэффициент надежности не ниже 0,985, подтвержденный автономными испытаниями, агрегаты и системы ДУ должны быть испытаны автономно на натурных компонентах. Огневым испытаниям должны предшествовать холодные испытания ДУ для проверки совместного функционирования систем. В баках ДУ должны быть установлены системы аварийного слива компонентов и дополнительного наддува баков. ДУ должно быть оснащено системами пожаро-взрывопредуп-реждения (СПВП) и аварийной защиты (САЗ), предусматривающими контроль определенных параметров двигателя, ДУ и систем стенда и прекращение испытания при их отклонениях от заданных величин. Предусматривается постепенное усложнение программ испытаний. На рис. 6 представлена схема установки ракетного блока КРБ на стенде В3 НИИХИММАШ для проведения комплексных холодных и огневых испытаний.

В системах стенда обеспечиваются: контроль опасных концентраций водорода и кислорода в отсеках и боксе стенда, воспламенение и дожигание выбросов водорода из сопла двигателя, отвод дренажей водорода на стендовый дожигатель, выполнение блоков информационно-управляющих систем в искрозащищенном исполнении, максимальное раскрытие проемов в стенах и крыше стенда и парирование нештатных ситуаций (НТТТС).

Момент возникновения аварии при разгерметизации топливных систем носит случайный характер, а процесс ее развития практически неуправляем. Поэтому при испытаниях рассматривают предельную модель с мгновенным развитием событий, сопровождающуюся разрушением топливных баков, испарением и смешением всей массы (т) компонентов топлива и взрывом облака стехиометрической горючей смеси.

Для расчетов опасных зон были использованы значения коэффициента участия во взрыве массы выброшенного водорода г = 0,3...0,5. В нормативных требованиях по взрывобезопасно-сти химических и металлургических производств рекомендованы значения г = 0,1...0,3, а в методиках МЧС — г = 0,02...0,1. В то же время статистика аварий с взрывом смесей водорода с воздухом или кислородом показывает, что развитие событий имеет заметное время, позволяющее парировать аварийную ситуацию, а коэффициент использования водорода во взрыве в большинстве случаев не превышает 10 %. С учетом изложенного, можно принять г = 0,02...0,1 — для открытых стендов и г = 0,3...0,5 — для закрытых стендов.

По проведении испытаний предусматриваются: дистанционное проведение заправочных операций и испытания с укрытием обслуживающего персонала в бункере, полное удаление людей из опасной зоны в радиусе Лбез; готовность служб пожарной охраны и газоспасательной службы к ликвидации последствий аварийных ситуаций; ограничение продолжительности первого испытания и количества заправляемого в бак ДУ водорода, которое определяется исходя из расположения испытательного стенда (расстояния до жилой зоны) и размерности двигателя.

т , с

0

1

А. Г. Галеев

Проблемы обеспечения безопасности стендовых испытаний двигательных и энергетических установок на водородном топливе

В соответствии с моделью мгновенного развития событий проведены расчеты опасных зон для условий испытаний кислородно-водородных ракетных блоков, имеющих в топливных баках от 1000 до 10000 кг жидкого водорода. Результаты расчетов для водородно-кислородной смеси < показаны на рис. 7, соответственно, для полнос-§ тью открытого рабочего объема стенда при коэф-^ фициенте использования водорода во взрыве д г = 0,02...0,1 и для замкнутого рабочего объема "¡5 при г = 0,3...0,5. В указанных расчетах на огра-| ниченном расстоянии от стенда допускалось из-

си

^ быточное давление во фронте ударной волны, рав-1 ное 0,02 кгс/см2, при котором реализуется вторая степень безопасности с частичным разрушением ё (менее 50%) остеклений зданий и сооружений.

водорода (Шв) и коэффициента участия его во взрыве (г) при допустимом расстоянии безопасности до жилого массива (Л6еа= 1100 м) для водородно-кислородной смеси

На основании проведенных расчетов, в частности, в 1991 г. межотраслевой экспертной комиссией по безопасности, было принято решение о возможности проведения холодных и огневых испытаний ДУ ракетных блоков на стенде с заправкой топливного бака ДУ жидким водородом в количестве 2700 кг. При этом принималась степень риска испытаний, равная 10-4 (1 отказ на 10000 испытаний), с обеспечением <( на расстоянии 1100 м от стенда (расположение § жилой зоны) 2-й степени безопасности [4].

Следует отметить, что расчеты проводились з- с использованием гипотетической модели раз-

1 вития аварийной ситуации, которые не учиты-

2 вают динамику и кинетику процессов от начала | разгерметизации до взрыва, а также — умень-5 шение тротилового эквивалента при неполуче-§. нии стехиометрической смеси. В то же время ^ рассмотрение статистики аварий, произошедших § по причине выброса водорода, показывает, что о развитие событий имеет заметное время, позволяющее парировать развитие аварийной ситуации, а коэффициент использования водорода во взрыве в большинстве случаев не превышает величины г = 0,1. Это позволяет рассматривать

вопрос о проведении испытаний на стенде ДУ перспективных блоков с полной заправкой топливного бака водородом (до 6500 кг) при выполнении определенных мер безопасности и парированием нештатных ситуаций:

— внедрение датчиков контроля утечек водорода с инерционностью не более 1 с;

— оснащение САЗ двигателя высокочувствительными первичными преобразователями, основанными на оптико-волоконной и изотопной технике и обеспечивающими контроль наиболее напряженных параметров криогенного двигателя — износа беговых дорожек узлов качения (подшипников), температуры лопаток турбины и др.;

— оснащение САЗ двигателя каналами контроля виброперегрузок в системах ТНА и камеры;

— применение активных средств флегмати-зации взрывоопасных смесей в отсеках ДУ и стенда [4, 5].

Поэтапное проведение холодных и огневых испытаний ДУ блока с постепенным усложнением программ испытаний и с применением разработанной методики уменьшения риска испытаний с внедрением специальных мер безопасности позволило обеспечить комплексную отработку ДУ блоков КРБ и «Ц» ракеты-носителя (РН) «Энергия» в стендовых условиях.

Заключение

1. Проведено обоснование параметров поджигающих устройств и даны примеры использования систем воспламенения и дожигания выбросов водорода для обеспечения безопасности стендовых испытаниях ракетных двигателей, ДУ и их агрегатов.

2. Предложенная схема запуска с регулируемым выводом редуктора подачи горючего на режим при испытаниях камеры двигателя Д57 позволила уменьшить величину ударной волны в процессе воспламенения выбросов водорода на 30...40 %.

3. Применение разработанного метода уменьшения риска испытаний двигательных установок обеспечило безопасное проведение комплексной стендовой отработки блоков КРБ и «Ц» РН «Энергия».

Список литературы

1. Щетинков Е. С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965.

2. Галеев А. Г. Исследование безопасных условий воспламенения и дожигания выбросов водорода при стендовых огневых испытаниях ЖРД и их агрегатов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1974.

3.ГалеевА. Г. Методы повышения безопасности испытаний ракетных двигателей, связанные с выбросами водорода // Альтернативная энергетика и экология. № 2 (22), 2005. С. 9-14.

4. Бершадский В. А., Галеев А. Г. Стратегия уменьшения опасности стендовых испытаний ракетных двигательных установок // Авиакосмическая техника и технология. № 2, 2004. С. 38-45.

5. ГалеевА. Г. Экологическая безопасность при испытаниях и отработке ракетных двигателей: Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 2006.