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 профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы», доктор технических наук 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.
