Регистрация / Вход
Прислать материал

Антитурбулентные присадки жидкотопливных реактивных двигателей

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
полимеры и сополимеры высших альфа-олефинов, снижение гидродинамического сопротивления, эффект томса.

Цель проекта:
Оптимизация состава и молекулярно-массовых характеристик высокомолекулярных полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов для использования в виде разбавленных растворов в топливных системах жидкостных реактивных двигателей на углеводородном топливе.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе проведения научно-исследовательских работ были получены

1. Образцы агентов снижения гидродинамического сопротивления на основе полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов способные снижать сопротивление турбулентному течению углеводородных жидкостей до 60% при концентрации полимера 2,5г/тонну.
Разработанная лабораторная технология получения полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов, позволила получить 5кг образцов агентов снижения сопротивления на основе высших поли-альфа-олефинов с различным содержанием мономерных звеньев, молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением, после анализа которых выбран наиболее перспективный состав сополимера - 1-гексена с 1-деценом при массовом соотношении 9 :1.
Разработанный на основе лабораторной методики лабораторный регламент получения полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов позволил разработать исходные данные для НИОКР по разработке производства антитурбулентных присадок жидкотопливных реактивных двигателей.
Заявка на изобретение, отражающее одну из ключевых особенностей разработанной лабораторной технологии, позволило защитить состав антитурбулентной присадки и сопособ ее приготовления.
Полученные результаты опубликованы в 3 статьях индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.

2. Произведен подробный анализ физико-химических характеристик полученных образцов, определено наличие примесей и состав сополимеров. За счет средств индустриального партнера создана эскизная конструкторская документация на лабораторный стенд, а также осуществлено изготовление самого стенда для лабораторных исследований образцов агентов снижения гидродинамического сопротивления на основе полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов. Разработаны программы и методики испытаний агентов снижения гидродинамического сопротивления на основе полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов. Правильная и точная работа измерительных устройств лабораторного стенда подтверждена проведением измерений зависимости коэффициент гидравлического трения от числа рейнольдса для ньютоновских жидкостей различной природы и с различной вязкостью.
В итоге подтверждена перспективность использования агентов снижения гидродинамического сопротивления на основе полимеров и сополимеров высших альфа-олефинов в качестве антитурбулентных присадок жидкотопливных реактивных двигателей.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Антитурбулентные присадки на полимерной основе являются быстрорастворимой формой сверхвысокомолекулярных полимеров, которые проявляют эффект снижения гидродинамического сопротивления (эффект Томса) в турбулентном режиме течения жидкостей при концентрациях от 0,25 до 2000 г/тонну. Требуемая концентрация определяется молекулярной массой полимера и его термодинамической совместимостью с растворителем. Величина снижения гидродинамического сопротивления ограничена по величине и в зависимости от системы полимер-растворитель-канал течения может быть от 20 до 80%. Наибольшие значения достигаются при движении жидкости в развитом тубулентном потоке при больших значениях напряжения сдвига на стенке трубы. Большие сдвиговые нагрузки вызывают механическую деструкцию полимерных молекул, что требует создания избыточной концентрации полимерного агента с запасом на деструкцию. Конечным продуктом проекта является образец антитурбулентной присадки, пригодный для использования в топливных магистралях жидкотопливных реактивных двигателей. Присадка представляет из себя сравнительно разбавленный раствор сверхвысокомолекулярного полимера, растворимого в углеводородном топливе. Концентрация полимера составляет 0,5-0,6% масс. Концентрация полимерного агента для проявления максимального эффекта в керосине не превышает 5-10 г/тонну.
2. При выполнении проекта для испытаний антитурбулентных присадок был разработан и смонтирован лабораторный стенд авторской конструкции.
3. Синтезированный нами образец полимера по своей антитурбулентной эффективности не уступает лучшим мировым аналогам.
4. Несмотря на достаточно широкое применение агентов снижения гидродинамического сопротивления (антитурбулентных присадок) в трубопроводном транспорте углеводориспользодного сырья, внедрение практического применения эффекта Томса в топливные системы различных транспортных средств не нашло применения. Это объясняется рядом причин: применение высокомолекулярных растворимых в углеводородных жидкостях полимеров в топливных системах поршневых двигателей наземного и водного транспорта не является оправданным - сгорание полимерной присадки в цилиндрах может привести к повышенному коксованию. Использование полимерных агентов снижения гидродинамического сопротивления в двигателях воздушного транспорта может привести к снижению коэффициента теплоотдачи от стенок камеры сгорания к поступающему топливу, что в свою очередь вызовет перегрев двигателя. Применение полимерных присадок в воздушно-реактивных двигателях также сопряжено с опасностью повышенного коксообразования из-за длительной эксплуатации (высокого ресурса) данных двигателей. Таким образом, жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) являются наиболее оптимальными для использования в своих топливных системах полимерных агентов снижения гидродинамического сопротивления.Во-первых они имеют очень высокий удельный расход топлива на 1 кг перевозимой нагрузки, во-вторых режим течения в их топливных системах отличается самым большим значением числа Рейнольдса, в-третьих, обладают самым высокотеплонапряженными камерами сгорания и соплами, в-четвертых, имеют крайне низкий ресурс (не более 10 мин.) Использование полимерного агента снижения гидродинамического сопротивления в топливных системах ЖРД приведет к снижению гидродинамического сопротивления топливной магистрали между баком и двигателем, а также при прохождении турбины, с последующей деструкцией полимерного агента в теплонапряженной зоне двигателя, что в свою очередь не вызовет сопутствующего эффекту Томса снижения значения коэффициента теплоотдачи.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проведенных ПНИ могут быть использованы при создании производства сверхвысокомолекулярных полимеров высших альфа-олефинов, которые в свою очередь могут применяться для создания широкой номенклатуры антитурбулентных присадок, в том числе предназначенных для топливных магистралей жидкостных ракетных двигателей, высокоэффективных антитурублентных присадок суспензионного типа для применения в трубопроводном транспорте широкой номенклатуры углеводородных жидкостей.
2. Полученные результаты могут быть применены для проведения НИОКР И ОКР по созданию производства антитурбулентных присадок жидкотопливных реактивных двигателей.
3. Применение антитурбулентных присадок в топливных трактах жидкостных ракетных двигателей отечественных ракет носителей на кислород-керосиновой топливной паре позволит увеличить массу выводимого на орбиту груза или снизить нагрузку на турбонасосные агрегаты двигателей.
4. В настоящее время исследования в данной области производятся исключительно в Российской Федерации. В мире, в частности в США, исследования направлены исключительно на получение антитурублентных присадок для транспорта нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам.

Текущие результаты проекта:
Получен экспериментальный образец антитурбулентной присадки для жидкотопливных реактивных двигателей, в качестве растворителя применена модельная жидкость, которая соответствует требованиям, выдвигаемым ГОСТ Р ИСО 15859-8-2010 к керосину для ракетного топлива. Разработан лабораторный регламент получения антитурбулентных присадок жидкотопливных реактивных двигателей. На производственных площадях индустриального партнера могут быть установлены: реактор, емкостью 50л и термостастируемое помещение для получения полимеризацией в массе сверхвыскомолекулярных полимеров высших альфа-олефинов в количестве до 80кг/сутки. Для производства присадки рекомендовано установить роторный смеситель взрывозащищенной конструкции, позволяющий перемешивать до 200кг присадки. В дальнейших разработках планируется проведение НИОКР по созданию непрерывной производственной автоматизированной линии по производству антитурбулентных присадок различного назначения. В ходе обобщения полученных результатов были сделаны выводы о соответствии их мировому уровню, поскольку получены экспериментальные образцы агентов снижения гидродинамического сопротивления не уступающие по гидродинамической эффективности мировому уровню. В свою очередь проведены новаторские работы по исследованию возможности использования агентов снижения гидродинамического сопротивления на основе высших поли-альфа-олефинов для снижения гидравлического трения в топливных трактах жидкостных ракетных двигателей. Поставленные цели и задачи решены в полном объеме. Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера. Разработан проект технического задания для проведения опытно-конструкторских работ по созданию опытных образцов антитурбулентных присадок жидкотопливных реактивных двигателей.