Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения восстановительного газа

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в двигателестроении. В жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) восстановительный газ используется для подачи на турбину (преимущественно в схемах без дожигания этого газа) и для наддува баков. Данное изобретение применимо к ЖРД, использующих углеродосодержащее горючее (кроме метана), таких как керосин и аминные горючие.

Для указанных целей требуется получить газ заданной из условий работоспособности материалов температуры и возможно большей работоспособности (RT). Известны способы получения восстановительного газа, основанные на газификации жидких окислителя и горючего путем из химического взаимодействия при избытке горючего в однозонных газогенераторах (см. книгу Г.Г. Гахун и др. "Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей", М., Машиностроение, 1989, раздел 8.1 стр. 139-146). Процессы генерации восстановительного газа при избытке упомянутых горючих протекают существенно неравновесно с образованием большого количества конденсированной фазы (сажи). При этом требуется конструктивными методами сместить равновесие в сторону образования меньшего количества конденсированной фазы и, соответственно, большей работоспособности газа. Для этого используют двузонные газогенераторы.

Известен газогенератор жидкостного ракетного двигателя (патент RU №2204732), реализующий способ газогенерации, взятый за прототип, в котором компоненты топлива первоначально сжигают при соотношении, близком к стехиометрическому (первая зона), а затем в полученные продукты сгорания (во второй зоне) подмешивают избыточный компонент (в данном случае окислитель). Данный способ газификации реализует химическое взаимодействие в двух зонах компонентов, один из которых является избыточным, что позволяет частично сместить равновесие в нужную сторону.

Вместе с тем в двузонных и, особенно, однозонных восстановительных газогенераторах при избытке горючего значительная часть кислорода окислителя тратится на связывание водорода с образованием воды, поэтому на связывание углерода кислорода не хватает, и он остается в виде конденсированной фазы (сажи). Чтобы избежать этого, необходимо использовать кислород преимущественно для связывания углерода с образованием углекислого, а лучше, угарного газов. Тогда оставшийся углерод останется связанным с водородом в виде низкомолекулярных углеводородов.

Изобретение направлено на уменьшение содержания конденсированной фазы в генерируемом восстановительном газе, что позволяет повысить его работоспособность и, следовательно, количество энергии, вырабатываемой на турбине; уменьшить абразивное воздействие конденсированной фазы на газоводы и турбину и, следовательно, увеличить ресурс ЖРД; предотвратить образование отложений газоводах, что повышает надежность ЖРД и расширяет возможности использования данного газа в схеме двигателя (для дожигания, для вдува в сопло).

Этот технический результат достигается за счет того, что при газификации окислителя и избыточного количества горючего путем их химического взаимодействия в нескольких зонах весь расход окислителя, предварительно газифицированный в первой зоне взаимодействием с малым расходом горючего, подают в эжектор-дожигатель для взаимодействия с углеродом конденсированной фазы во второй зоне, которую отделяют от вырабатываемого газа в сепараторе. В эжекторе-дожигателе углерод частично сгорает с образованием углекислого газа, частично газифицируется за счет реакции С+СO₂=2СО. В полученный газ

подают оставшуюся часть расхода горючего (третья зона), при этом содержащийся в нем водород преимущественно остается связанным с углеродом, т.к. весь имеющийся кислород уже прореагировал. Подача конденсированной фазы из зоны пониженного давления за сепаратором обратно в камеру газификации горючего осуществляется за счет эжекции. Для этого окислитель газифицируют при более высоком давлении путем взаимодействия с небольшим расходом горючего и используют в качестве эжектирующего рабочего тела в эжекторе-дожигателе.

Подаваемые компоненты топлива могут быть предварительно использованы для охлаждения элементов конструкции газогенераторной установки или (и) других частей ЖРД. В этом случае возможна частичная или полная газификация окислителя вследствие теплообмена в трактах охлаждения.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема газогенераторной установки, реализующей заявляемый способ смесеобразования.

Окислитель и малая часть горючего подают в камеру 1 предварительной газификации окислителя (первая зона). Полученный окислительный газ подают в эжектор-дожигатель 2 конденсированной фазы (вторая зона), а полученный газ направляют в камеру 3 газификации горючего (третья зона). В эту камеру подают основной расход горючего через шайбу 4, которая обеспечивает необходимое превышение давления в камере 1. Из образовавшегося в камере 3 газификации горючего газа в сепараторе 5 конденсированной фазы отделяют вырабатываемый очищенный газ, который подают потребителю, и псевдоожиженая небольшим расходом газа конденсированная фаза, направляемая в эжектор-дожигатель 2.

Процессы в восстановительных газогенераторах из-за своей неравновесности трудно поддаются расчету. Для предварительной оценки эффективности предлагаемой схемы были выполнены два равновесных термодинамических расчета на топливе керосин и кислород при одинаковой температуре газа. По этим расчетам исключение из продуктов сгорания воды привело к уменьшению образования сажи с 27% до 15% и увеличению работоспособности вырабатываемого газа на 7%.