Сегодня
активно изучается новый тип горючего материала — гранулированное топливо.
Рассматривается его применимость для разных энергетических установок и
сравнивается с другими видами топлива. Но пока что особенности использования
инновационного горючего изучены в основном в теории. Ученые Пермского Политеха
разработали экспериментальную установку, которая позволяет на практике
исследовать систему подачи гранул в камеру сгорания ракетных и прямоточных
двигателей. Достоверная имитация всего процесса, поможет качественно определять
оптимальные характеристики истечения топлива и параметры устройства
регулирования его расхода.
Статья опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ.
Аэрокосмическая техника». Исследование проведено в рамках реализации программы
стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Особенность нового гранулированного
топлива в том, что оно обладает свойствами и жидкого, и твердого горючего. В
двигателе оно находится в форме гранул и подается в камеру сгорания совместно с
ожижающим газом, поэтому обладает текучестью и возможностью регулирования
расхода. Но при неработающем двигателе не насыщается газом и остается твердым.
Сам процесс его подачи в камеру сгорания и
возникающий при этом режим критического истечения пока недостаточно изучены. Этот
показатель отслеживает величину отношения давлений на входе и выходе
сужающегося канала, через который поступает жидкость. Критическое истечение
порошково-газовой смеси не позволяет возмущениям в камере сгорания передаваться
в бак, что безопасно для топлива.
Исследование всей механики движения
порошково-газовой смеси необходимо для расчетов и прогноза дальнейшей работы
двигателя в целом. Но на сегодняшний день она описывается лишь теоретически
через систему уравнений. Это не позволяет в полной мере изучить физический
процесс критического истечения гранулированного топлива, так как некоторые коэффициенты
(объемная поверхность частиц, коэффициент извилистости, диаметр газовых пор)
невозможно определить аналитически, а также не учитывается трение фаз гранул о
стенки канала.
Ученые Пермского Политеха решили эту
проблему, разработав экспериментальную установку, которая обеспечивает наиболее
полную имитацию подачи гранулированного топлива и других порошкообразных горючих
в камеру сгорания реактивных двигателей. Это позволяет качественно изучить
процесс их подачи и количественно определить оптимальные геометрические и
газодинамические параметры расхода.
— Наша
установка и ее элементы запорно-регулирующей арматуры обеспечивают
герметичность, имеют системы дренажа давления и возможность легкой и безопасной
замены вышедших из строя деталей. Также она снабжена аппаратным комплексом для
контроля состояния элементов на протяжении всех исследований. Он позволяет
управлять состоянием установки, измерять, передавать, обрабатывать и хранить
рассчитанные параметры экспериментов для оперативного анализа полученных
результатов исследований, — объясняет
младший научный сотрудник кафедры «Ракетно-космическая техника и
энергетические системы» ПНИПУ Григорий Доткин .
Установка политехников состоит из баллона
с инертным газом (азотом) высокого давления, коллектора, топливного бака с
поршнем, порошком и устройством регулирования расхода, приемной емкости,
запорно-регулирующей арматуры и управляющей программы. Для контроля
эксперимента встроены датчики давления, расходомер газовый и датчик измерения
перемещения поршня, сигнал которых приходит на контроллер и переводится в
значения физических величин, а далее передается на автоматизированное рабочее
место (ноутбук).
— Такая
конструкция для анализа критического истечения порошковых материалов позволит
проводить эксперименты по определению дроссельных характеристик двигателя
(зависимость основных данных и параметров двигателя от расхода топлива), удельных
расходов газа и гранул в зависимости от геометрии форсунок, а также зависимости
критического отношения давлений, — рассказывает
доктор технических наук, профессор
кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ Владимир
Малинин.
Разработанная установка ученых Пермского
Политеха дает возможность экспериментально детально исследовать процессы подачи
гранулированного топлива в камеру сгорания и качественно определять необходимые
параметры для оптимальной работы двигательной установки.