Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

77-30569/299736 Результаты исследования и разработки низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив для систем перемещения элементов исполнительных механизмов

# 02, февраль 2012
Файл статьи: Полянский_P.pdf (1188.70Кб)
авторы: Шабунин А. И., Калинин С. В., Сарабьев В. И., Ягодников Д. А., Полянский А. Р.

УДК 662.1:621.455

ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

otd11_niiph@mail.ru

daj@mx.bmstu.ru

korolev100-rd@mail.ru

НБГТ в составе ГГ широко используются в оборонной и гражданской отраслях промышленности в качестве источника низкотемпературного смешанного газа. Например, газогенераторы, снаряженные зарядами НБГТ, применяются в системах ПЭИМ, устройствах раскрутки ротора турбореактивных двигателей, для вытеснения жидкости в системах пожаротушения, наддува аварийно-спасательных средств и т.д.

Широкая сфера применения ГГ, снаряженных зарядами НБГТ, обусловлена рядом их преимуществ по сравнению с другими источниками низкотемпературного газа. К числу таких преимуществ следует отнести высокую надёжность, компактность, постоянную готовность к действию, быстроту срабатывания, высокую удельную газопроизводительность, работоспособность в различных условиях, способность к длительному хранению. Таким образом, широкое применение ГГ в военной технике и хозяйственных отраслях позволяет говорить об актуальности исследования и разработки НБГТ.

Специфика работы объектов, в которых применяются заряды НБГТ, обусловливает необходимость обеспечения соответствия их термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик комплексу предъявляемых требований.

Термодинамические характеристики НБГТ должны обеспечивать высокие значения газопроизводительности W и работоспособности RT, а также иметь низкие значения температуры горения Тгор, теплоты сгорания Qсг, молярной массы газов μ и количества конденсированной фазы z. Низкая температура горения топлив (Тгор ≤ 1700 К) необходима для сохранности перемещаемых элементов исполнительных механизмов. Баллистические характеристики НБГТ должны обеспечивать получение высокой скорости горения Uи сравнительно низких значений показателя степени ν в зависимости U(р). Наличие последнего требования обусловлено необходимостью обеспечения стабильного горения топлива в широком диапазоне давлений, что снижает возможность возникновения аномального режима работы ГГ. Физико-механические характеристики топлив должны соответствовать требованиям достижения высокой прочности при сжатии σи и растяжении изгибающим моментом σсж. Данное требование является особенно актуальным для зарядов НБГТ, используемых в ГГ СОЗР, т. к. рабочее давление в их камере сгорания (КС) имеет высокие значения (рКС ≤ 55 МПа). Применение в указанных условиях топлив с низкой прочностью повышает опасность перехода режима горения из послойного в объёмный, что приводит к разрушению эксплуатируемого объекта.

Главная проблема, возникающая при разработке НБГТ, заключается в том, что при снижении температуры горения происходит уменьшение скорости горения топлив. С целью обеспечения высокой скорости горения НБГТ при сохранении низкой температуры горения было проведено исследование, предусматривающее включение в топливные рецептуры следующих модификаторов: бихромат аммония (БХА) (NH4)2Cr2O7, бихромат калия (БХК) K2Cr2O7,оксид ванадия (V) (ОВН) V2O5, оксид висмута (III) (ОВС) Bi2O3, оксид никеля (II) (ОНК) NiO, оксид молибдена (ОМЛ) (VI) MoO3, оксид титана (ОТТ) (IV) TiO2, оксид хрома (ОХР) (III) Cr2O3, оксид циркония (ОЦР) ZrO2, оксид вольфрама (ОВЛ) (VI) WO3, оксид железа (III) Fe2O3, оксид иттрия (ОИ) Y2O3, сульфат калия (СКЛ) K2SO4, оксид меди (ОМД) (II) CuO, бензоат натрия (БНТ) NaC7H5O2, салицилат натрия (СНТ) NaC7H5O3, оксид свинца (ОСВ) (II, IV) Pb3O4, хромат стронция (ХСТ) SrCrO4, фторид цезия (ФЦЗ) CsF, фторид церия (ФЦР) CeF3. Выбор указанных веществ производился по данным литературных источников [1, 2].

Основными компонентами исследуемых топлив являлись горючее (нитрогуанидин) и окислитель (перхлорат аммония). Для регулирования температуры горения в состав НБГТ была включена газообразующая добавка уротропин. С целью обеспечения механической прочности топлив использовалось связующее, представляющее собой смесь идитола и каучука БНКС. Формирование рецептур НБГТ осуществлялось таким образом, чтобы их температура горения имела приблизительно одинаковые значения (Tгор ~1650 К). Количество модификатора в рецептурах НБГТ, было фиксированным и составляло 7 %. Твёрдые компоненты топлив имели микронный уровень дисперсности. На базе вышеуказанных компонентов были сформированы 20 вариантов топлив (типа 62-30), в состав индекса которых входит обозначение используемого модификатора.

Оценка эффективности модификаторов осуществлялась методом сравнения термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик НБГТ с параметрами топлива-эталона 62-30-ЭТ, не содержащего модификатора.

Значения термодинамических характеристик НБГТ вычислялись с помощью программного комплекса «Астра» [3].Результаты расчётов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Термодинамические характеристикиисследуемыхНБГТ

Вариант

НБГТ

Обозначение характеристики

W, м3/кг

Тгор, К

Qсг, МДж/кг

μ, г/моль

z, %

RT,кДж/кг

1

2

3

4

5

6

7

62-30-ЭТ

1,131

1637

5,014

19,81

0

687,0

62-30-БХА

1,076

1653

4,822

19,95

4,2

659,9

62-30-БХК

1,060

1632

4,800

20,38

3,6

641,8

62-30-ОВН

1,056

1613

4,712

20,0

5,7

656,4

62-30-ОВС

1,049

1654

4,692

21,37

0

643,4

62-30-ОНК

1,045

1645

4,689

20,28

5,5

637,4

62-30-ОМЛ

1,051

1624

4,709

20,27

4,9

632,9

62-30-ОТТ

1,044

1624

4,521

19,96

7,0

629,2

62-30-ОХР

1,045

1628

4,690

19,96

6,9

629,8

62-30-ОЦР

1,069

1637

4,688

19,96

7,0

634,2

62-30-ОВЛ

1,060

1628

4,683

21,15

0

639,8

62-30-ОЖ

1,045

1614

4,688

20,57

4,1

625,9

62-30-ОИ

1,045

1642

4,689

19,96

7,0

636,3

62-30-СКЛ

1,045

1636

4,668

20,94

2,3

634,1

62-30-ОМД

1,056

1630

4,722

20,05

5,5

639,0

62-30-БНТ

1,080

1631

4,829

20,61

0,7

652,9

62-30-СНТ

1,081

1623

4,812

20,61

0,6

650,8

62-30-ОСВ

1,059

1612

4,723

21,16

0

633,2

62-30-ХСТ

1,052

1642

4,865

19,79

7,0

641,0

62-30-ФЦЗ

1,054

1632

4,718

21,25

0

638,3

62-30-ФЦР

1,049

1625

4,704

19,94

6,6

632,5

Для удобства представления и анализа полученных характеристик рассматриваемые НБГТ были разделены на 5 групп (по 4 топлива + топливо-эталон 62-30-ЭТ).

Скорость горения топлив при повышенном давлении (в интервале р = 2 ¼10 МПа) определялась в генераторе давления ГД-2М [4]. Значения скорости горения исследуемых групп топлив, а также показатель ν и коэффициент U0 в зависимости U(р), приведены в табл. 2-6. На рис. 1-3 приведены зависимости скорости горения от давления для рассматриваемых групп НБГТ.

Таблица 2

Баллистические характеристики НБГТ 1 группы

 

Вариант НБГТ

U (р = 10 МПа), мм/с

ν

U0, мм/с

62-30-БХА

10,1

0,50

1,01

62-30-БХК

7,84

0,48

0,86

62-30-ОИ

5,03

0,67

0,23

62-30-ОМД

4,79

0,65

0,24

62-30-ЭТ

3,55

0,62

0,204

 

Таблица 3

Баллистические характеристики НБГТ 2 группы

 

Вариант НБГТ

U (р = 10 МПа), мм/с

ν

U0, мм/с

62-30-ОЖ

8,35

0,78

0,23

62-30-ОВН

7,08

0,38

1,23

62-30-ОМЛ

5,65

0,51

0,54

62-30-ОВЛ

4,76

0,60

0,3

62-30-ЭТ

3,55

0,62

0,204

 

а)
1 – 62-30-БХА; 2 – 62-30-БХК; 3 – 62-30-ОИ; 4 – 62-30-ОМД;5 – 62-30-ЭТ

 

б)
1 – 62-30-ОЖ; 2 – 62-30-ОВН; 3 – 62-30-ОМЛ; 4 – 62-30-ОВЛ;5 – 62-30-ЭТ

Рис. 1. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ:а) 1группы; б) 2 группы

 

Таблица 4

Баллистические характеристики НБГТ 3 группы

 

Вариант НБГТ

U (р = 10 МПа), мм/с

ν

U0, мм/с

62-30-ОСВ

6,05

0,73

0,21

62-30-ОХР

5,55

0,77

0,16

62-30-ОЦР

5,00

0,56

0,38

62-30-БНТ

3,61

0,58

0,25

62-30-ЭТ

3,55

0,62

0,204

 

Таблица 5

Баллистические характеристики НБГТ 4 группы

 

Вариант НБГТ

U (р = 10 МПа), мм/с

ν

U0, мм/с

62-30-ОВС

5,10

0,63

0,28

62-30-ОНК

5,07

0,46

0,61

62-30-СКЛ

4,12

0,68

0,18

62-30-СНТ

3,49

0,61

0,21

62-30С-ЭТ

3,55

0,62

0,204

 

 

а)
1 – 62-30-ОСВ; 2 – 62-30-ОХР; 3 – 62-30-ОЦР; 4 – 62-30-БНТ;5 – 62-30-ЭТ

 

б)
1 – 62-30-ОВС; 2 – 62-30-ОНК; 3 – 62-30-СКЛ; 4 – 62-30-СНТ;5 – 62-30-ЭТ

Рис. 2. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ: а) 3 группа; б) 4 группа

 

Таблица 6

Баллистические характеристики НБГТ 5 группы

 

Варианты НБГТ

U (р = 10 МПа), мм/с

ν

U0, мм/с

 62-30-ХСТ

5,78

0,72

0,21

62-30-ОТТ

4,91

0,60

0,31

62-30-ФЦР

4,59

0,67

0,21

62-30-ФЦЗ

3,98

0,83

0,087

62-30-ЭТ

3,55

0,62

0,204

 

 

1 – 62-30-ХСТ;2 – 62-30-ОТТ; 3 – 62-30-ФЦР;4 – 62-30-ФЦЗ; 5 – 62-30-ЭТ

Рис. 3. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ 5 группы

 

Физико-механические характеристики НБГТ оценивались на основе значений предела прочности при растяжении изгибающим моментом и сжатии. Для удобства представления и анализа результатов исследуемые топлива были разделены на 2 группы. Полученные результаты приведены в таблицах 7, 8.

 

Таблица 7

Физико-механические характеристики НБГТ 1 группы

 

Вариант НБГТ

σи, МПа

σсж, МПа

62-30-ЭТ

17,0

51,0

62-30-БХА

15,6

55,5

62-30-БХК

16,2

54,5

62-30-ОВН

15,9

54,8

62-30-ОВС

12,6

54,9

62-30-ОНК

14,8

56,1

62-30-ОМЛ

16,1

51,6

62-30-ОТТ

10,2

52,5

62-30-ОХР

14,7

55,8

62-30-ОЦР

12,6

54,6

62-30-ОВЛ

19,8

58,0

 

Таблица 8

Физико-механические характеристики НБГТ 2 группы

 

Вариант НБГТ

σи, МПа

σсж, МПа

62-30-ЭТ

17,0

51,0

62-30-ОЖ

17,8

55,6

62-30-ОИ

22,7

53,4

62-30-СКЛ

18,5

53,8

62-30-ОМД

20,2

56,5

62-30-БНТ

21,0

54,1

62-30-СНТ

18,3

43,0

62-30-ОСВ

16,9

58,7

62-30-ХСТ

21,0

53,7

62-30-ФЦЗ

17,4

50,4

62-30-ФЦР

16,5

58,6

 

Для анализа эффективности рассматриваемых НБГТ на рис. 4 (а, б) приведены значения предела прочности при растяжении изгибающим моментом, являющейся наиболее важной физико-механической характеристикой данных зарядов.

 

а)
1 – 62-30-ЭТ; 2 – 62-30-БХА; 3 – 62-30-БХК; 4 – 62-30-ОВН; 5 – 62-30-ОВС; 6 – 62-30-ОНК; 7 – 62-30-ОМЛ; 8 – 62-30-ОТТ; 9 – 62-30-ОХР; 10 – 62-30-ОЦР; 11 – 62-30-ОВЛ

 

б)

1 – 62-30-ЭТ; 2 – 62-30-ОЖ; 3 – 62-30-ОИ; 4 – 62-30-СКЛ; 5 – 62-30-ОМД; 6 – 62-30-БНТ; 7 – 62-30-СНТ; 8 – 62-30-ОСВ; 9 – 62-30-ХСТ; 10 – 62-30-ФЦЗ; 11 – 62-30-ФЦР

Рис. 4. Экспериментальные значения предела прочности НБГТ при растяжении изгибающим моментом:а) 1 группа; б) 2 группа

 

В результате анализа термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик исследуемых НБГТ получены следующие данные.

Высокой газопроизводительностью (W ³ 1,06 м3/кг) обладают НБГТ, содержащие модификаторы СНТ, БНТ, БХА, ОЦР, БХК, ОВЛ. Высокая работоспособность (RT ³ 650 кДж/кг) характерна для топлив, включающих модификаторы БХА, ОВН, БНТ, СНТ. Обеспечению низкой молярной массы газов (μ ≤ 19,95 г/моль) способствует применение модификаторов ХСТ, ФЦР, БХА.  Для получения низкой теплоты сгорания топлив (Qсг < 4,69 МДж/кг) целесообразно использовать модификаторы ОТТ, СКЛ, ОВЛ, ОЖ, ОЦР, ОНК, ОИ. Отсутствие конденсированной фазы в составе продуктов сгорания (z = 0) характерно для НБГТ, содержащих модификаторы ОВС, ОВЛ, ОСВ, ФЦЗ.

Наиболее высокие значения скорости горения (U > 7 мм/с при р = 10 МПа) топлив обеспечивает включение в их рецептуры модификаторов БХА, ОЖ, БХК, ОВН. Применение указанных модификаторов обусловило повышение скорости горения НБГТ относительно топлива-эталона соответственно в 2,8; 2,4; 2,2; 2,0 раза. К снижению зависимости скорости горения от давления (ν ≤ 0,5) приводит использование модификаторов ОВН, ОНК, БХК, БХА.

Высокой прочностью при растяжении изгибающим моментом (σи > 20 МПа) обладают НБГТ, включающие модификаторы ОИ, ХСТ, БНТ, ОМД. Высокая прочность при сжатии (σсж > 55 МПа) характерна для топлив, содержащих модификаторы ОСВ, ФЦР, ОВЛ, ОМД, ОНК, ОХР, ОЖ, БХА.

Комплексный анализ полученных характеристик НБГТ показал, что наиболее эффективным является применение в качестве модификаторов бихромата аммония, оксида железа, бихромата калия и оксида ванадия. При использовании оксида железа рекомендуется принять меры по снижению показателя степени ν в законе горения НБГТ.

При разработке НБГТ для систем ПЭИМ был выбран бихромат аммония, являющийся наиболее эффективным модификатором горения. Данному топливу присвоен индивидуальный индекс 62-35.Количество БХА в НБГТ 62-35, вследствие ограничений по содержанию конденсированной фазы, составляет 5 %. Помимо перечисленных компонентов, топливо включает 1 % порошка алюминиево-магниевого ПАМ-4 (для обеспечения стабильности процесса горения в условиях высокого давления) и ~ 1 % графита (для улучшения прессуемости). Температура горения топлива составляет Тгор = 1700 К. Из НБГТ 62-35 разработаны 3 варианта зарядов, представляющих собой совокупность канальных таблеток всестороннего горения в количестве 1, 4 и 6 шт. Заряды формировались методом глухого прессования на гидравлических прессах.

На базе ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии» проведены огневые стендовые испытания (ОСИ) зарядов из разработанного топлива в составе модельной установки СОЗР, представляющей собой толстостенный сосуд, внутри которого с помощью вту­лок переменной длины имитируется свободный объем рабочей камеры. Схема модельной установки приведена на рис. 5.

 

1 – втулка; 2 – рабочая ёмкость; 3 – заряд из состава 62-35; 4 – таблетка из универсального воспламенительного состава; 5 – пиропатрон

Рис. 5. Схема модельной установки СОЗР

 

Объектами испытаний являлись заряды трёх типов: 1-го открытия, закрытия, 2-го открытия. Указанные заряды должны обеспечивать следующие значения давления в рабочей ёмкости установки СОЗР: в режиме 1-го открытия рулей –p = 22 ¼37 МПа за время τ = 0,03 ¼0,15 с; в режиме закрытия рулей –p = 15 ¼30 МПа за время τ = 0,01 ¼0,06 с; в режиме 2-го открытия рулей –p = 30 ¼55 МПа за время τ = 0,03 ¼0,15 с.

На рис. 6 представлены результаты ОСИ зарядов из разработанного НБГТ в модельной установке СОЗР.

 

а)

 

б)

 

 

в)

Рис. 6. Динамика изменения давления в ёмкости модельной установки СОЗР при работе зарядов трех типов: а) заряд 1-го открытия; б) заряд закрытия; в) заряд 2-го открытия

 

Из рис. 6 следует, что режим работы модельной установки СОЗР, снаряженной зарядами из созданного НБГТ 62-35, соответствует предъявляемым требованиям.

ОСИ зарядов в натурной установке СОЗР проводились на базе Дмировского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты испытаний приведены на рис. 7, 8.

 

1 – заряд 1-го открытия; 2 – заряд закрытия; 3 – заряд 2-го открытия

Рис. 7. Динамика изменения давления в ёмкости натурной установки СОЗР

 

1 – заряд 1-го открытия; 2 – заряд закрытия; 3 – заряд 2-го открытия

Рис. 8. Динамика изменения ориентации (поворот) рулей в установке СОЗР

 

В результате проведения огневых стендовых испытаний зарядов, изготовленных из разработанного топлива 62-35, подтверждено соответствие их рабочих характеристик предъявляемому комплексу технических требований.

 

Выводы

1. Определены закономерности влияния природы 20 модификаторов на термодинамические, баллистические и физико-механические характеристики НБГТ на основе нитрогуанидина, перхлората аммония и уротропина.

2. В результате расчётно-экспериментального исследования НБГТ и применения метода рецептурного регулирования установлено:

– наиболее эффективным модификатором для рассмотренной группы топлив является бихромат аммония;

–к числу перспективных модификаторов горения также можно отнести оксид ванадия, бихромат калия и оксид железа (III);

– применение оксида ванадия наиболее целесообразно для повышения стабильности рабочего про­цесса, что характерно для топлив, отличающихся слабой зависимостью скорости горения от давления.

3. На основе результатов проведённого исследования разработано высокоэффективное НБГТ 62-35 для систем перемещения элементов исполнительных механизмов.

 

Список литературы

1.     А.П. Глазкова. Катализ горения взрывчатых веществ. – М.: Изд-во «Наука», 1976. – 264 с.

2.     Н.Н. Бахман, А.Ф. Беляев. Горение гетерогенных конденсированных систем. – М.: Изд-во «Наука», 1967. – 228 с.

3.     Трусов Б.Г.  Моделирование  химических  и  фазовых равновесий  при высоких  температурах  «Астра 4». – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. – 40 c.

4.     Генератор давления ГД-2М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации  / НИИ прикладной химии. – Инв. №10264. – Загорск, 1975. – 15 с.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2020 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)