Среда, 22.05.2019, 13:35
Приветствую Вас Гость | RSS
Шестнадцатая олимпиада посвящена 100-летию регулярных пассажирских авиаперевозок
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Девятая олимпиада (2011/12 уч.год)

"Возможное применение водорода в авиации". Садертдинов Денис

Выполнил: студент 1-ого курса факультета АД УГАТУ Садертдинов Д.Ф.

1.Введение.

2.Особенности самолётов на водородном топливе.

2.1. Преимущества водорода.

2.2. Особенности термодинамических циклов двигателей, работающих на водороде.

2.3. Оптимальные скорости течения в элементах систем подачи водорода в ВРД.

2.4. Пожаровзрывоопасность водородного топлива.

3. Заключение.

4. Источники.



1.Введение.

Любимой темой недобросовестных историков и у нас, и за рубежом является тема авиации исключительно в результате деятельности конструкторов четырех стран – Великобритания, Франции, Германии, США. Советским и российским авиационным конструкторам отводится роль копировщиков иностранных образцов. Для подтверждения этого вывода в качестве иллюстраций приводятся естественные шаги, сделанные советским руководством в разные исторические периоды жизни нашего государства для сохранения мирового уровня отечественной авиации: использование западных лицензий; прямое копирование самолета B-29 для технологического перевооружения авиастроительной отрасли после разрушительной войны; использование немецкого оборудования и инженерного опыта в ракетной технике; применение оптимальных решений для однотипных летательных аппаратов (самолеты Ту-144 и «Concorde»). Одновременно старательно и сознательно обходят тот непреложный факт, что внедрение любой новой техники возможно только при одном условии – в промышленности должен быть накоплен достаточный запас собственных знаний и технологий.

Одним из самых ярких примеров собственных разработок являются научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по возможности внедрения в авиацию альтернативного топлива – жидкого водорода и сжиженного природного газа. В содружестве с большим количеством смежников удалось впервые в мире провести натуральные эксперименты и летные испытания по оценке возможных путей развития авиации на альтернативных топливах. Разработанные в результате конструктивные решения технологии работ, применяемые системы обеспечения безопасности и защиты не имеют аналогов до настоящего времени.

Началом освоения криогенных топлив в авиации явились работы АНТК им. А.Н. Туполева по созданию испытательной лаборатории на базе самолета ТУ-154В и работы СНТК «Двигатели НК» по созданию авиационного двигателя, работающего на водородном и метановом криогенных топливах. Параллельно были начаты работы по созданию наземного испытательного комплекса.

Рисунок 1. Двигатель НК-88.

В конечном итоге был создан экспериментальный самолет Ту-155. Он успешно прошел весь комплекс наземных и летных испытаний с использованием жидкого Н2 и СН4. На этом самолете установлено 14 мировых рекордов.

Рисунок 2. Самолет на криогенном топливе Ту-155.

ЦИАМ принимал самое активное участие в решении многих научно-технических проблем, связанных с применением в авиации криогенных топлив.

В процессе создания экспериментального самолета Ту-155 были решены вопросы рациональной компоновки и размещения криогенного топлива на самолете, конструктивного выполнения криогенного бака, реализации хладоресурса топлива и организации его эффективного сгорания; в значительной мере были разработаны вопросы наземного комплекса, обеспечивающие минимальные потери топлива при выполнении технологических операций, вопросы очистки и сжижении водородного и метанового топлив, вопросы обеспечения пожаробезопасности самолета и наземного комплекса при использовании криогенных топлив.

Дальнейший ход своей работы я бы хотел посвятить достоинствам и возможным массовым поэтапным переходом с практическим применением жидкого водорода как авиационного топлива в ближайшем будущем.


2.Особенности самолётов на водородном топливе.

2.1 Преимущества водорода.

Водород удовлетворяет многим требованиям, предъявляемым к топливам. Водород дает минимум загрязнения окружающей среды. Высокая массовая теплота сгорания примерно в 2,8 раза превышает теплоту сгорания керосина, его высокая полнота сгорания позволяет повысить эффективность двигателей, уменьшить удельный расход топлива, уменьшить массу и габариты двигателя.

Наиболее важные параметры, характеризующие физико-химические и другие свойства криогенных топлив (водорода и метана) и керосина приведены в таблице.

Параметры Керосин Метан Водород 
Низшая массовая теплота сгорания, кДж/кг 42850 50000 120000 
Плотность жидкости при р=98 кПа (кг/м3) 820 424 70,9 
Низшая объемная теплота сгорания, кДж/м3 352,5 * 105 212 * 105 85 * 105 
Температура кипения при р=98 кПа (К) 423…453 111,6 20,43 
Температура плавления, К Ниже 213 90 14 
Теплота испарения, кДж/кг при р=98 кПа 259 515 458 
Теплота плавления, кДж/кг при р=98 кПа 58,6 58,1 
Теплоемкость газа при р=const и T=293К (кДж/(кг*К)) 1,465 2,164 14,16 
Газовая постоянная, кДж/(кг*К) 0,0533 0,518 4,12 
Хладоресурс, кДж/кг 930 при нагреве от 293 до 553К 2950 при нагреве от 20 до 922К 13950 при нагреве от 20 до 922К 
Стехиометрический коэффициент (по воздуху) 14,7 17,23 34,5 
Максимальная нормальная скорость распространения пламени, м/с 40 33,8 318 
Минимальное давление распространение пламени, Па 4400…4600 2530 1534 
Концентрационные пределы распространения пламени, % объема 1,4-7,4 5-15 4-74,2 
Таблица 1. Параметры некоторых топлив

Анализ приведенных параметров позволяет установить следующие основные закономерности:

-Массовая теплота сгорания метана на 16%, водорода в 2,8 раза выше, чем керосина, в то время как объемная теплота сгорания жидкого метана на 40%, а жидкого водорода на 76% ниже объемной теплоты сгорания керосина (вследствие существенного уменьшения плотности жидких метана и водорода по сравнению с керосином; ржСН4 в 1,93, а ржН2 в 11,5 раз меньше, чем рж керосина.

-Хладоресурс криогенных горючих существенно выше, чем керосина: метана примерно в 3 раза, водорода более, чем в 15 раз.

-Характеристики горения жидкого водорода существенно превосходят основные характеристики жидких керосина и метана: максимальная нормальная скорость распространения пламени при горении водорода в 8…9 раз превышает соответствующие значения для керосина и метана, а концентрационные пределы распространения пламени существенно шире, чем у керосина и метана. Водород и метан имеют также более низкое, чем керосин, минимальное давление распространения пламени.

К достоинствам водорода как авиационного топлива следует добавить следующее.H2 легко испаряется и быстро распространяется по всему объему камеры сгорания, что способствует быстрому запуску двигателя. Незначительная энергия и широкие пределы воспламенения водородно-воздушной смеси также способствуют быстрому запуску двигателя при различных температурах и на различных высотах. Водород при сгорании дает пламя с низкой излучающей способностью и сгорает без образования нагара, что позволяет увеличить ресурс и надежность двигателей. Малая коррозионная активность водорода. Двигатели на H2 практически не загрязняют окружающую среду. Теплопоглощающая способность водорода в 30 (!) раз выше, чем у керосина, что позволяет использовать его в системах охлаждения элементов двигателя и ЛА. Повышение эффективности охлаждения турбин позволяет поднять температуру перед турбиной и степень повышения давления в компрессоре. Это приведет к значительному снижению удельного расхода горючего (15-20%) и повышению удельной тяги двигателя. Высокие кинетические свойства H2 как горючего: быстрое протекание смесеобразования, устойчивость к ВЧ колебаниям. Меньшая масса ЛА позволяет уменьшить нагрузку на крыло и размеры крыла. Это снизит шум в районе аэропорта. Работа на H2 позволяет создавать компактные камеры сгорания с более равномерным температурным полем на выходе. Вследствие более высокой теплоемкости газа, температура на входе будет более низкой и т. д.

Поставим вслед за первыми исследователями вопрос, может ли сохраниться аэродинамическая компоновка обычного самолета при переходе на жидководородное топливо? Несмотря на то что удельная теплотворная способность у водорода в 3 раза больше, чем у обычного углеводородного топлива, его плотность примерно в 12 раз меньше, а, следовательно, объемная теплотворная способность будет примерно в 4 раза меньше. Поэтому дальность полета самолета при простой замене в равных объемах углеводородного топлива жидким водородом, естественно, уменьшится. Чтобы реализовать преимущество, вытекающее из высокой теплотворной способности водорода, необходимо значительное относительное увеличение площади крыла, качественные зависимости, определяющие изменение массы самолета и возможного запаса топлива из условия располагаемого объема, вывели, что относительная массовая отдача будет оставаться постоянной по топливу, если будет выполнено условие Sp. При этом автоматически выполняется условие постоянства удельной нагрузки на крыло.

Отсюда следует, что попытка сохранить относительный запас топлива при переходе на водород путем геометрически изменения самолета приводит к необходимости увеличения площади крыла и массы самолета обратно пропорционально квадрату плотности топлив. При прямой замене углеводородного топлива жидким водородом происходит увеличение массы. Поэтому необходимо отойти от сложившихся приемов формирования аэродинамической компоновки и размещать жидкий водород только в фюзеляже или специальных баках, обладающих приемлемыми значениями площади поверхности на единицу объема. При этом необходимо учитывать, что масса конструкции самолета будет дополнительно увеличиваться вследствие необходимости теплозащиты водорода от нагревания и испарения. Проблему теплозащиты можно решить на основе теплоизоляции, которая позволит минимизировать потери при длительном хранении. Практически все исследователи пришли к единодушному выводу о том, что следует применять конструкции, основанные главным образом на экранно-вакуумном принципе теплозащиты.

Однако следует отметить в виду, что жидкий Н2 имеет существенный недостаток: чрезвычайно узкий температурный диапазон жидкого состояния (6,43 градуса), предъявляющий высокие требования к теплоизоляции.

В таблице представлены результаты расчетов ожидаемых характеристик дозвуковых самолетов при постоянном значении коммерческой нагрузки (примерно 400 пассажиров), дальности полета на уровне 10000 км и скорости, соответствующей М=0,85.

Показатели самолетаКеросинВодородОтносительные показатели самолета на водороде
Максимальный взлетный вес, т237,2 177,8-25% 
Вес пустого самолета, т110,8 110,0 -0,73% 
Общий запас топлива, т 75 24 -68%  
Тяга одного двигателя, т  14,8213,02 -12,1% 
Площадь крыла, кв.м  389 313 -19,5% 
Размах крыла, м 59,2 53 -10,5% 
Длина фюзеляжа, м 60 66,7 +1,2% 
Потребная длина ВПП, м
 
2435 1900 -22% 
Крейсерское аэродинамическое. качество 17,1 16,07 -10,3 % 
Удельный расход топлива, кг/кгс ч 0,601 0,207 -65,5 % 
Цена самолета, млн.долларов 26,5 26,9 + 1,5% 
Шум боковой, EPN дб при пролете 87,8-94,2 87,2-89,2 -0,6 - 5,0 
Коммерческая нагрузка, т 39,92 39,92 
Таблица 2. Результаты расчетов ожидаемых характеристик дозвуковых самолетов.

Видно, что несмотря на снижение крейсерского аэродинамического качества примерно на 10%, взлетный вес самолета на водороде будет на 25-26% меньше, чем на керосине. Особенно важно, что расход топлива на полет снижается более чем на 65%. Заметно снижаются и размеры крыла, тогда как длина фюзеляжа возрастает. Понятно, что приведенные данные должны рассматриваться как иллюстративные. При уменьшении дальности полета и коммерческой нагрузки рассматриваемые количественные соотношения могут претерпеть изменения.

Снижение аэродинамического качества самолетов на водороде, с одной стороны, и уменьшение их взлетного веса – с другой, значительно изменяют потребное соотношение между взлетной и крейсерской тягой. Видно, что потребная взлетная тяга падает в значительно большей степени, чем потребная крейсерская тяга. Так как размер двигателя определяется величиной тяги в крейсерском полете, то двигатель самолета на водороде, выполненный по обычной схеме, оказывается в большей степени переразмеренным, чем двигатель для самолета на керосине, хотя абсолютные размеры двигателя для водородного самолета несколько меньше, чем для самолета на керосине. Это свидетельствует о том, что на водородном самолете двигатели переменного цикла могут стать более привлекательными благодаря их возможностям существенно изменять удельную тягу или расход воздуха через двигатель.

В качестве общего вывода можно утверждать, что использование водорода в качестве топлива позволяет существенно улучшить весовые, летно-технические и экономические характеристики как дозвукового, так и сверхзвукового самолетов. Полученное преимущество в расходе топлива (65,5%), в весе самолета (25%), в тяге двигателя (12,1%) полностью компенсируют потери от увеличения объемов и снижения аэродинамического качества водородных самолетов (10,3%).

Исследования показали, что использование для криогенной техники крыльевых баков практически невозможно, главным образом из-за огромной распределенной поверхности баков и большого количества «тепловых мостиков», что не позволяет обеспечить приемлемый уровень теплоизоляции и расхода топлива для компенсации тепловых потерь. Только новые специальные самолеты смогут в наибольшей мере использовать высокую теплотворную способность водорода для увеличения дальности полета с заданной величиной полезного груза. При этом желательно использовать самолеты большой размерности.

Плодотворной оказалась идея одновременного использования керосина, размещаемого в крыльевых баках, и водорода, размещаемого внутри фюзеляжа или во внешних баках. Исследования по влиянию весовой доли криогенного топлива показали, что наибольший прирост дальности для дозвуковых самолетов (порядка 80%) ожидается при весовой доле водорода 65-70%, а для сверхзвуковых самолетов типа Ту-144 (прирост дальности 35-40%) – при весовой доле водорода 25-30%. Дальнейшие исследования и расчеты показали, что дальность полетов самолета, использующего и керосин и криогенное топливо, по сравнению с самолетом, использующим только водород, благодаря возможности размещения керосина в крыльевых баках может быт дополнительно увеличена примерно на 20%. Использование на самолете криогенного топлива и керосина значительно расширяет эксплуатационные возможности. Интересно, что за счет перекрестного использования двух топлив можно упростить большинство применяемых систем, хотя, конечно, эксплуатация самолета усложняется. Двухтопливный самолет имеет ряд преимуществ по сравнению с «чистым» водородным самолетом, главные из которых:

       -на 10-20% увеличивается дальность полета;

       -значительно повышается гибкость применения, особенно в условиях ограниченной сети аэродромов, оборудованных хранилищами жидкого водорода, в том числе для непредвиденных случаев (например, вынужденная посадка);

        -повышается степень использования объемов самолета при заливке керосина в крыльевые баки;

        -можно значительно уменьшить требуемый диаметр трубопроводов системы подачи при использовании криогенного топлива на крейсерских режимах;

        -появляется возможность создания новых бесфорсажных и особенно форсажных двигателей на керосине при высокой степени унификации с существующими двигателями;

        -снижается удельный расход топлива сверхзвуковых ТРДДФ при комбинированной топливной системе (керосин-водород), так как появляется возможность использования водорода только в форсажной камере, что улучшает экономичность на 45-55%, а переход на водород и в турбинной камере сгорания дополнительно улучшает экономичность еще на 15%;

        -обеспечивается оптимальное для работы двигателя отношение тяг двигателя в крейсерском полете и на взлете.

Очень важно, что двухтопливные схемы позволяют реализовать условие «максимальной дальности по виду топлива», так как первоначально вырабатывается керосин, имеющий меньшую теплотворную способность.


2.2. Особенности термодинамических циклов двигателей, работающих на водороде.

Проведенные к настоящему времени исследования двигателей на криогенном топливе показали, что главные особенности двигателей на водороде будут определяться:

      -Высокой теплотворной способностью водорода;

      -Низким удельным расходом топлива;

      -Возможностью использования более высокой работоспособности продуктов сгорания водорода в воздухе;

      -Возможностями использования хладоресурса жидкого водорода для организации охлаждения элементов турбины и компрессора, а также рабочего тела на линии сжатия с целью повышения КПД и работы цикла путем перехода к более высокой температуре газа перед турбиной и более высокой степени повышения давления (параметров цикла).

Как показали исследования, наиболее интересные для практики термодинамические циклы с использованием криогенного топлива реализуются в обычных схемах ГТД (ТРД, ТРДФ, ТРДД, ТРДДФ, ТВД) и в различных схемах ракетно-турбинных двигателей (РТД). Во всех этих ГТД улучшение термодинамического цикла достигается благодаря совместному использованию упомянутых выше факторов.

Основные термодинамические циклы водородных газотурбинных двигателей могут быть реализованы в схемах, в которых в различной степени используются свойства водорода. Возможно предварительное охлаждение или предварительное ожижение всего воздуха, идущего в двигатель. Все остальные схемы различаются только особенностями получения механической работы на валу компрессора.

Использование водорода вместо керосина становится более эффективным при повышении степени двухконтурности .

Улучшение удельного расхода топлива ТРДД при переходе на водород не может быть оценено только влиянием изменения теплотворной способности топлива, так как это влияние ослабляется отношением удельных тяг. В качестве обобщенной зависимости должны быть проведены исследования термодинамических циклов и удельных характеристик дозвуковых ТРДД в условиях крейсерского полета (Н=11 км,М=0,82) для керосина и водорода. В этом обобщении было принято, что двигатели , работающие на керосине, имеют систему воздушного конвективно-пленочного охлаждения турбины с малыми расходами воздуха, а двигатели, работающие на водороде, имеют систему охлаждения турбины с промежуточным теплоносителем, использующим хладоресурсы водорода, без отбора воздуха на охлаждение. Известно, что двигатели на керосине могут совершенствоваться по экономичности как за счет увеличения эффективного КПД цикла, так и за счет полетного КПД. Причем переход к степеням повышения давления дополнительно улучшают экономичность только на 1,5-2%. Однако и такой выигрыш может быть утрачен из-за трудности получения высокого КПД турбокомпрессора и большого расхода воздуха на охлаждение турбины. Использование водорода только за счет применения системы охлаждения без отбора воздуха позволяет увеличить тягу на 10-13% либо на 5-6% уменьшить размер двигателя. Правда, при этом могут возникнуть трудности обеспечения КПД турбокомпрессора из-за возрастания влияния потерь энергии в зазорах. Использование водорода позволит перейти к дальнейшему освоению высоких степеней повышения давления, а также обеспечит главное улучшение экономичности за счет высокой теплотворной способности нового топлива.


2.3. Оптимальные скорости течения в элементах систем подачи водорода в ВРД.

Использование криогенных топлив в авиационных силовых установках требует решения многих сложных проблем. Одной из них является создание работоспособных систем подачи, обеспечивающих дозированную подачу этих топлив на значительные расстояния при сравнительно малых расходах и большом диапазоне их регулирования. Сложность проблемы состоит в том, что криогенные топлива могут быть использованы в авиационных летательных аппаратах лишь в том случае, когда они находятся в жидком, шугообразном или твердом состояниях, т.е. в состоянии наибольшей плотности. Большое значение температуры криогенных топлив по сравнению с температурой окружающей среды требует применения эффективной, как правило, вакуумной теплоизоляции, чтобы не допустить кипения топлива в элементах системы подачи, расположенных перед насосами, возникновения кавитации, а также конденсации и вымораживания атмосферной влаги.

Для предотвращения кипения топлива перед насосом необходимо обеспечить условия, при которых температура топлива всегда была бы ниже, а давление выше их значений на линии насыщения. Создать такие условия можно, кроме вакуумной теплоизоляции, применением бустерных подкачивающих насосов, переохлаждением топлива вплоть до образования шуги, а также оптимальными конструкциями преднасосных элементов систем подачи с минимумом теплового воздействия и гидравлического сопротивления. Из сказанного ясно, каким ответственным элементом насосной системы подачи криогенных топлив являются низконапорные магистрали, расположенные между топливным баком летательного аппарата и его двигателями. Эти магистрали, от функционирования которых зависит принципиальная возможность создания работоспособной системы подачи, должны обладать минимально возможным гидравлическим сопротивлением и оказывать наименьшее тепловое воздействие на перекачиваемое топливо. В связи с этим представляет определенный практический интерес изучение процессов теплопередачи и динамики течения в указанных магистралях и разработка методов их оптимального конструирования.

Расчетно-теоретическим исследованием теплового воздействия окружающей среды на криогенное топливо, движущееся в магистралях с вакуумной изоляцией, установлено, что в некоторой области граничных условий при турбулентном течении тепловые воздействия на топливо со стороны окружающей среды (через вакуумную изоляцию) и внутреннее диссипативное тепловыделение, являющееся следствием необратимого процесса превращения в тепло работы сил внутреннего и поверхностного трения, становятся соизмеримыми.

При постоянном расходе, с увеличением скорости течения возрастает работа сил трения и, следовательно, диссипативное тепловыделение в потоке, однако тепловое воздействие окружающей среды через вакуумную изоляцию будет уменьшаться из-за уменьшения радиальных размеров магистралей.

Использование этого явления позволило разработать простые методы расчета оптимальных скоростей течения криогенных топлив в магистралях с вакуумной теплоизоляцией. Располагая оптимальными значениями скорости течения, свойствами перекачиваемых жидкостей и их расходами, можно рассчитать наивыгоднейшие радиальные размеры практически всех элементов систем подач, при которых теплоподвод будет наименьшим.

Оптимизация скорости течения проводится при условии минимального теплового воздействия, которое определяется как сумма тепловых воздействий со стороны окружающей среды через вакуумную изоляцию (внешний теплоподвод) и внутреннего тепловыделения, связанного с необратимым процессом перехода в тепло работы сил вязкого трения.

Задача решается при следующих условиях и допущениях:

-на рассматриваемом участке магистрали отсутствуют соединительные устройства и опорные элементы; он образован двумя коаксильно расположенными трубками, в кольцевом пространстве между которыми создается вакуумная тепловая изоляция;

-параметры окружающей среды вдали от рассмотренного участка магистрали заданы;

-цилиндрические оболочки участка магистрали изотермичны, на наружной оболочке не происходит конденсации атмосферной влаги;

-температура внутренней трубки магистрали принимается равной температуре перекачиваемой криогенной жидкости, градиенты температуры поперек металлических трубок не учитывается;

-при расчете внутреннего тепловыделения учитывается только работа сил трения, другие члены диссипативной функции не учитываются, так как они в данном случае малы по сравнению с теплом трения;

-задача решается при установлении теплового и гидродинамического равновесия всех элементов участка магистрали.

Результаты расчетов:

Скорость течения, при которой выполняется условие наименьшего теплоподвода к движущейся жидкости, назовем оптимальной. По оптимальной скорости течения рассчитываются радиальные размеры магистралей и проходные сечения других элементов систем подачи.

Оптимальные скорости течения и проходные сечения магистралей в качестве примера определены для диапазона расходов, соответствующих расходам систем подачи жидкого водорода в воздушно-реактивные двигатели. Этот диапазон выбирался из условия работы систем при минимальных расходах (запуск, малый газ) и некотором относительно большом расходе, но таком, когда есть практическая целесообразность постановки задачи на оптимизацию скорости течения.

При отклонении скорости течения от оптимального значения теплоподвод к топливу возрастает как при скоростях течения меньше скорости оптимальной вследствие увеличения радиальных размеров магистралей, так и при скоростях больше скорости оптимальной вследствие увеличения внутреннего тепловыделения.

Выводы:

Исследование теплопередачи в магистралях с вакуумной тепловой изоляцией, предназначенных для подачи криогенных топлив, позволило сформулировать и решить задачу об определении оптимальной скорости течения, по которой рассчитываются наивыгоднейшие радиальные размеры магистралей и других элементов систем подачи, обеспечивающие наименьшее тепловое воздействие на криогенное топливо.


2.4. Пожаровзрывоопасность водородного топлива.

Среди многочисленных вопросов, которые необходимо решать исследователям и разработчикам изделий на жидком водороде, - подбор и испытание совместных с водородом материалов, оптимизация тепломассообменных процессов, обеспечение требуемой чистоты водорода, организация процессов сгорания в двигателях – вопросы взрывопожаробезопасности являются наиболее актуальными, сложными и наименее изученными.

Уникальность свойств водорода по сравнению с обычными углеводородными горючими предопределила в отношении его взрыво- и пожаробезопасности консерватизм и предубеждение. Довольно длительное время имела место своего рода водородная боязнь, известная под названием «синдром Гинденбурга» в память о гибели в 1937 году дирижабля «Гинденбург», наполненного водородом. Такая переоценка реальной опасности водорода являлась, с одной стороны, сдерживающим фактором в развитии водородной энергетики, с другой – приводила к необоснованному удорожанию объектов, использующих жидкий водород. Вредной являлась также другая крайность – недооценка действительной опасности водорода, приводящая, как правило, к еще более нежелательным последствиям. В связи с этим, научная обоснованность руководящих материалов по обеспечению взрывопожаробезопасности объектов с водородом имеет огромный экономический и социальный эффект.

Рисунок 3. Катастрофа дирижабля "Гинденбург".

Анализ показывает, что основными опасными ситуациями при получении, хранении и использовании водорода, приводящими к взрыву и пожару, являются следующие:

- разрыв расходных трубопроводов или разрушение резервуара с жидким водородом (базовые хранилища, баки ракет и самолетов, пузырьковые камеры и т.д.), пролив больших количеств жидкости в замкнутом, полуограниченном или открытом пространстве, быстрое испарение и образование взрывоопасной смеси водорода с окислителем (воздухом или кислородом, например, в отсеках самолетов или ракет) и, наконец, возможный взрыв, или детонация, смеси;

- аварийные или регламентные утечки жидкости или газа в замкнутых объемах, полная загазованность или накопление водорода в застойных зонах с последующим взрывом образовавшейся смеси;

- дренаж (запланированный или аварийный сброс) больших количеств водорода из хранилищ, баков ракет и т.п. с образованием в атмосфере огромных размеров водородно-воздушных облаков;

- конденсация и накопление кристаллов твердого воздуха или кислорода в жидком водороде при их непосредственном контакте, образование гетерогенной взрывчатой системы. Такая ситуация возникает при многократном использовании технологических систем с жидким водородом без отогрева и очистки или при совместном аварийном проливе жидких водорода и кислорода. Большинство из перечисленных ситуаций являются типичными не только для водорода, но и для сжиженных углеводородных газов.

Рисунок 4. Взрыв водорода. 

Рассматривая столетнее использование Н2 и его смесей в промышленности, быту, на транспорте и в науке, можно сделать вывод, что Н2 обладает сравнительно низким «потенциалом случайности».

Проникание воздуха (что может привести к взрыву) в сосуды или трубопроводы, находящиеся под давлением Н2, практически невозможно. Наиболее опасной представляется ситуация, когда Н2 в жидком или газообразном виде истекает из сосуда или трубопровода. Однако в этой часто встречающейся действительно опасной ситуации Н2 обладает рядом преимуществ по сравнению с другими топливами или взрывоопасными газами или жидкостями. Американские инженеры по технике безопасности проделали следующий поучительный и важный опыт. Они вылили из емкости расположенной на открытой площадке 18,5 м3 жидкого Н2 (примерно 15725м3 газа). Расставленные соответствующим образом приборы сигнализировали создание взрывоопасной концентрации Н2, однако в течение одной минуты после начала слива Н2, в окружающем сосуд пространстве можно было безопасно зажечь спичку.

Можно привести и другой пример. Установлено, что при проливе примерно 5700 дм3 жидкого Н2 за 35 секунд происходит бурное его испарение, обуславливающее интенсивную турбулентность паровоздушной смеси, благодаря чему концентрация водорода в смеси не превышает нижнего предела взрываемости. Образующееся облако смеси поднимается со скоростью 0,5-1 м/с.

Многие исследователи пришли к выводу, что благодаря низкой молекулярной массе (Н2 в 14,4 раза легче воздуха), Н2 очень быстро рассеивается в окружающем пространстве, поэтому образование взрывоопасных смесей с воздухом менее вероятно, чем в случае, например природного газа или бензина. Но нужно учитывать, что при проливе значительных количеств Н2 на месте аварии замерзает грунт и образуется облако, которое может иметь плотность, близкую к плотности воздуха, и поэтому оно будет располагаться низко над поверхностью земли до тех пор, пока не нагреется. Но в воздухе, окружающем это облако, концентрация  Н2 будет невелика. Таким образом, пожар и взрыв возможны лишь в объеме самого водородного облака, представляющего собой горючую воздушно-водородную смесь. Приближенные вычисления скорости подъема испаряющегося жидкого Н2 с различных поверхностей оказалась разными: для гравия-1,5-1,8 м/с; для асфальта и стальных плит-0,6-1,2 м/с.

Процесс горения может продолжаться несколько минут, до испарения всей пролитой жидкости. Подожженный пролитый Н2 горит спокойно, без взрыва. Температура пламени достигает 2200 К, но интенсивность радиации пламени низкая, порядка 1/10 по сравнению с радиацией углеводородных пламен. При воспламенениинии водородно-воздушных смесей над пролитым Н2 возникает неустойчивое, быстро развивающееся шаровое пламя, поднимающееся вверх со скоростью 6,5 м/с. Размеры пламени зависят от объема пролитой жидкости, быстроты слива Н2, характера поверхности, на который попадает Н2. Шаровое пламя обычно быстро разрывается и исчезает. Экспериментально установлено, что водородное пламя не способно вызвать серьезные термические травмы (ожоги 2 степени), если обслуживающий персонал находится от источника излучения на расстоянии не менее 55м. В случае горения большого количества углеводородного горючего безопасное расстояние превышает 200м, т.е. почти в 4 раза больше, чем при горении Н2.

Установлено, что детонирование смеси водород-воздух в свободном пространстве возможно только при условии, если образовалась соответствующего состава реагирующая смесь, и имеется достаточно сильный источник ударной волны. Даже искра не всегда вызывает взрыв смеси. Взрыв может произойти лишь в том случае, когда в непосредственной близости от сферы действия искры находятся кристаллы твердого кислорода. Считают, что вероятность детонирования масс газообразного Н2, образовавшегося при аварии хранилищ с Н2, очень мала. Но все же случаи взрыва возможны.

Жидкий Н2 является источником взрывоопасности из-за возможной конденсации в нем кислорода (воздуха) и др. примесей. Кислород может оставаться в Н2 при недостаточной очистки его или попадании в него вследствие неполного удаления воздуха из рабочих емкостей и магистралей. Опытным путем установлено, что при загрязнении Н2 твердым воздухом нормального состава опасность сравнительно невелика, но она сильно возрастает при загрязнении другими примесями, содержащими кислород.

Совершенно недопустимо попадание воздуха (кислорода) в емкости и трубопроводы, заполненные жидким Н2, Воздух замерзает и осаждается на стенках выше уровня жидкого Н2 или опускается на дно ёмкости. Ломающиеся кристаллы кислорода или твердого воздуха могут являться источником воспламенения и взрыва. По этой причине, N2, которым продувают магистрали и емкости перед заполнением их Н2, должен содержать не более 0,5-1,0%(об.)О2.

Однако следует отметить, что смеси Н2 с О2 или воздухом в момент их образования самопроизвольно не реагируют. Для инициирования реакции горения нужно сообщить системе некоторую энергию. Инициаторами горения водородных смесей в замкнутых объемах могут быть: разряды статистического электричества от взвешенных частиц к стенкам емкости; ломающиеся кристаллы твердых частиц (особенно кислорода), ударные волны, адиабатическое сжатие газовых пузырьков и т.п.

Вдыхание продуктов горения является одной из важных причин телесных повреждений и смерти при пожаре. Когда горючее сгорает на открытом воздухе, только керосин (бензин) может вызывать серьезные повреждения от вдыхания дыма, тогда как водород и метан являются чисто горящими горючими.

Пламя Н2 почти невидимо при дневном свете, но его видимость улучшается в присутствии влаги или примесей в воздухе. Водородное пламя легко видимо в темноте. Крупное пламя Н2 легко различимо днем ввиду конвективных «тепловых волн», видимых в воздухе на близком расстоянии. Небольшое водородное пламя трудно различить, поэтому требуется ряд мер предосторожности, чтобы обезопасить персонал и оборудование.


3. Заключение.

Прошло более тридцати лет с начала работ по применению криогенных топлив – жидкого водорода и сжиженного природного газа в авиации. За это время прошли большие события в жизни нашей страны, изменилась экономическая система, разрушились централизованные структуры государственного управления, к сожалению, потеряна основная часть конструкторского и производственного потенциала головных конструкторских бюро, распалась производственная кооперация. Перспективные специалисты, не выдержав экономических лишений, ушли из авиации. Пылятся, ржавеют и выходят из строя уникальные установки. Зарастают наземные криогенные и стартовые комплексы. Тема криогенных топлив вышла из моды. Бесценные наработки в этой области, как и во многих других, где российские специалисты занимали ведущие мировые позиции, могут быть безвозвратно утеряны.

Создание инфраструктуры криогенной авиации, оптимизация ее материально-технического и инженерно-авиационного обеспечения с учетом специфики криогенных топлив и криогенных технических средств; и использование в различных областях науки и техники авиационных и аэрокосмических криогенных разработок, как технологий двойного назначения; крупномасштабное производство и экспорт криогенного топлива, криогенных летательных аппаратов, криогенного оборудования и технологий могут быть важнейшим фактором подъема экономики России, особенно с учетом месторасположения и климата большинства регионов страны. Чрезвычайно важным для здоровья нации должно стать уменьшение загрязнения окружающей среды проливами, отходами и продуктами сгорания нефтяного топлива, использование которого на всех видах транспорта существенно сократится. Ожидается также увеличение количества рабочих мест. Россия опять стоит перед выбором на перепутье. Не нужно никаких мудрых теорий Старого и Нового Света. Наша страна должна просто развиваться в предначертанном ей направлении, и нам надо только уловить это направление! Можно и нужно применить все научные и инженерные достижения предыдущих периодов развития страны для того, чтобы разрубить сложнейший клубок противоречий, который образовали проблемы взаимодействия с окружающей средой, предрассудки и направленная борьба наших врагов против России, сложная экономическая ситуация затянувшегося переходного периода развития экономики страны.

 


4. Источники:

1. Андреев В.А.; научная редакция В.Т.Климов «Внимание: газы. Криогенное топливо для авиации». 2001г.

2. Лазарев В.А. «Оптимальные скорости течения и наивыгоднейшие радиальные размеры элементов систем подачи криогенных топлив в ВРД". ЦИАМ 1980г.

3. Яновский Л.С.; под редакцией И.В.Шевченко «Основы авиационной химмотологии» 2005г.

4. Дубовкин Н.Ф. «Топлива для воздушно-реактивных двигателей» 2001г.

5. Курзинер Р.И. «Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полёта». Москва 1989г.

6. Трошин А.Ю. «Математическое моделирование тепломассопереноса в закрытых емкостях с криогенными средами» журнал Техника машиностроения. 2003г.

7. http://www.tupolev.ru/Russian/Show.asp?SectionID=82 официальный сайт ОАО «Туполев». 

Категория: Девятая олимпиада (2011/12 уч.год) | Добавил: Service (30.12.2011) | Автор: Садертдинов Денис Флусович E W
Просмотров: 5644 | Рейтинг: 2.0/3
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК ЗАВЕРШЁН!
ТЕСТИРОВАНИЕ ЗАВЕРШЕНО!
ПРИЁМ РАБОТ ЗАВЕРШЁН!

Календарь
Google+
Их многие читают
Чиков Андрей Вячеславович (2315)
Кильметов Тимур Динарович (2299)
Ромашкова Екатерина Игоревна (1910)
Валько Елена Александровна (1676)
Сёмина Дарья (1046)
Галеев Руслан Венерович (871)
Морозов Дмитрий (734)
Беляков Борис Антонович (715)
Сарваров Матвей Сергеевич (540)
Черкасов Роман Юрьевич (372)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2019