Топливо для турбореактивного двухконтурного двигателя Российский патент 2025 года по МПК C10L1/16 C10L1/18 C10L10/12 

Изобретение относится к топливам для турбореактивных двухконтурных двигателей (ТРДД), в частности к составам углеводородных топлив, и может быть использовано как основное топливо при автономном полете крылатых ракет воздушного базирования (КРВБ).

КРВБ являются основными средствами поражения, входящих в состав вооружения самолетов Дальней авиации ВКС России. Боевое применении КРВБ осуществляется в различных метеоусловиях и районах боевых действий. Оперативно-тактической особенностью КРВБ является режим следования по рельефу местности на предельно малых высотах на дозвуковой скорости. В качестве силовой установки используется турбореактивный двухконтурный двигатель работающий на основном топливе - децилин, применяемые резервные топлива - ТС-1, РТ.

Перед авторами стояла задача - разработать топливо для ТРДЦ обеспечивающее устойчивое горение в камере сгорания, повышенный удельный импульс тяги при этом имеющее малые периоды задержки воспламенения (ПЗВ) и время сгорания, а также относиться по номенклатуре токсичных веществ и их концентрации в отходах к классу опасности выше третьего для безопасной эксплуатации личным составом войсковых частей.

Основное топливо, используемое в боевом применении КРВБ является растворитель децилин. Недостатки данного растворителя является сильная токсичность и относится к третьему классу опасности.

Известно топливо для реактивных двигателей топлива ТС-1 топливо по ГОСТ 10227 без присадок (1 - паспорт качества топлива для реактивных двигателей марки ТС-1, высшего сорта №38 от 26.08.2021 г. АО «АНПЗ ВНК»). Является малоопасным продуктом и в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 относиться к четвертому классу опасности.

Недостатки известного топлива при проведении предварительных исследований является: большой период задержки воспламенения 32 мс (ПЗВ) (2 - Zhang Y J, Huang Z H, Wang J H, et al. Shock tube study on auto-ignition characteristics of kerosene/air mixtures. Chinese Sci Bull, 2011, 56: p.1399-1406), большое время сгорания 94,6 мс, низкое давление 432 кПа в реакторе установки. Плотность топлива при 20°С - 795,0 кг /м³.

Используется топливо РТ, с которым проводились исследования, является смесь керосиновой фракции установки гидрокрекинга в количестве 79,3% масс., керосиновой фракции установки гидроочистки керосина в количестве 20,0% масс., керосиновой фракции установки производства базовых масел в количестве 0,7% масс., с добавлением противоизносной присадки Юникор J в количестве 0,0030% масс., антиокислительной присадкой Агидол - 1 в количестве 0,0035% масс. (3 - паспорт качества топлива для реактивных двигателей марки РТ высшего сорта №3007Н от 13.07.2021 г., АО «ТАНЕКО»). Является малоопасным продуктом и в соответствии с ГОСТ 12.1.007-76 относиться к четвертому классу опасности.

Наиболее близкой по технической сущности к данному изобретению, и взятым за прототип, является топливо для реактивных двигателей - нафтил по ТУ 38.001244-81 (4 - Нафтил. Технические условия), ГОСТ РВ 9120-001-2011 (5 - Горючее нафтил. Технические условия) с добавлением антиокислительной присадкой «Агидол - 1» в количестве 0,0054% масс. (4 - паспорт качества топлива нафтил №2 от 18.05.2022 г., АО «АНХК», фиг.1 - прототип).

Нафтил обладает более высокой температурной стабильностью и более жесткими требованиями к составу, включающему существенно меньшее содержание ароматических соединений при практически полном отсутствии олефинов. Топливо нафтил использовалось в советских, а потом и российских ракетных двигателях с конца 1960-х годов с целью унификации и увеличения удельного импульса тяги. Нафтил отличается от РТ и ТС-1 существенно меньшим содержанием фракций, способствующих отложению в двигателе нагара, и несколько большей плотностью (0,833 г/см³ против 0,775 г/см³ и 0,780 г/см³ соответственно), что позволяет залить в баки ракеты больше горючего и тем несколько увеличить полезную нагрузку.

По сравнению с растворителем децилин, топливо нафтил существенно более безопасно в обращении и представляет гораздо меньшую угрозу для окружающей среды в случае утечек и разливов, относится к безопасному четвертому классу.

Несмотря на то, что прототип топлива обладает несколько большей плотностью по сравнению с выше указанными аналогами, однако это топливо имеет низкий прирост удельного импульса тяги по сравнению с РТ, ТС-1.

Технический результат изобретения - повышение эффективности топлива для применения крылатых ракет воздушного базирования с турбореактивным двухконтурным двигателем за счет увеличения удельного импульса тяги.

Указанный технический результат достигается тем, что известное топливо для турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащее «нафтил», согласно изобретению дополнительно содержит ди-трет-бутилпероксид при следующих соотношениях компонентов, % масс:

ди-трет-бутилпероксид 1-5 «нафтил» остальное

Компоненты топлива «нафтил» выпускаются в Российской Федерации и доступны к приобретению.

Топливо «нафтил» для автономного полета крылатой ракеты с ТРДД, готовят путем смешения керосиновой фракции и антиокислительной присадки взятых в соотношениях.

В предлагаемой композиции топлива в качестве дополнительной добавки для увеличения удельного импульса тяги используют ди-трет-бутилпероксид (ДТБП), который до сих пор применяется в промышленности в качестве инициатора радикальной полимеризации и тепломеризации. Присадка на базе ДТБП применяется для обеспечения повышения цетанового числа дизельного топлива (5 - Применение присадок в топливах: Справочник. - 3-е изд., доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2010. - стр. 65).

Вводимый компонент ДТБП, обладая свойством инициатора радикальной полимеризации позволил провести исследование по возможности применения его для оценки увеличения удельного импульса тяги и как следствие увеличение дальности полета при сохранении массово-габаритной характеристики ракеты или при сохранении дальности, увеличение массы полезной нагрузки (боевого заряда).

Кроме того, были исследованы и другие химические вещества, потенциальные добавки в топливо нафтил, такие как, дибутиловый эфир, изопропилнитрат.

Результат проведенных исследований при температуре реактора лабораторной установки Тр=636 К, коэффициенте избытка воздуха α=2 представлен в таблице 1.

Как видно из результатов исследований, приведенных в таблице 1, при добавлении ДТБП в топливо «нафтил» происходит уменьшение секундного расхода топлива, увеличение тяги и удельного импульса тяги. Таким образом при проведении исследований известных активирующих веществ, добавленных в топливо «нафтил» в определенном соотношении компонентов, значительный эффект показал ДТБП.

Ди-трет-бутилпероксид (ДТБП) представляет собой бесцветную или желтоватую подвижную нерастворимую в воде жидкость.

Химическая формула C₈H₁₈O₂, молекулярная масса - 146,23 а.е.м.,

плотность при 20°С, кг/м³ - 790,

содержание активного кислорода, % - 10,6,

температура вспышки, °С - 18.

ДТБП кипит с разложением при температуре от 109°С до 110°С.

Это соединение состоит из пероксидной группы, связанной с двумя трет-бутильными группами. Это один из самых стабильных органических пероксидов из большого объема трет-бутильных групп, при хранении после поставки гарантируется в течение шести месяцев. В России вырабатывается по ТУ 6.05-2026-86 на АО «Казаньоргсинтез» (6 - Применение присадок в топливах: Справочник. - 3-е изд., доп. - СПб.:ХИМИЗДАТ, 2010. - стр. 66).

При просмотре источников научно-технической информации не было выявлено добавления в топливо «нафтил» ДТБП для обеспечения эксплуатации крылатых ракет с ТРДД.

Для обоснования количественного содержания компонентов в топливе были приготовлены образцы, указанные в таблице 2, которые прошли испытания на изготовленной совместно с Институтом химической физики РАН в 2013 году установкой постоянного объема перепускного типа «Пламя». Она предназначена для измерения нормальных скоростей распространения пламени в газовых и капельно-газовых смесях и ПЗВ указанных смесей в миллисекундном диапазоне (7 - Разработка метода и лабораторной установки по определению характеристик горения топлив для гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей» шифр «Гиперзвук-12»: отчет о НИР / С.М. Сергеев [и др.]. - М.: 25 ГосНИИ МО РФ, 2013. - 67 с. - инв. 4101).

Эксперименты проводились по методике, описанной в СТО 08151164-0144-2013 «Методика определения характеристик горения углеводородных топлив на лабораторной установке «Пламя» с некоторыми дополнениями.

Возможность использования активирующих веществ для управления воспламенением и горением перспективных топлив в условиях работы ТРДЦ обусловлена их свойствами, способствующими активации горения за счет образования свободных радикалов, инициирующих самовоспламенение (8 - Исследования эксплуатационных свойства углеводородных ракетных горючих с добавкой промоторов. Отчет по НИР «Интервидение - 21». - «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России», 2022. - 134 с, инв. 5702 с.).

Режим проведения испытаний: температура реактора (Тр) - 636 К, начальное давление в реакторе (Р_р) - 101,3 кПа, коэффициент избытка воздуха α от 1 до 2. Получены экспериментальные данные: ПЗВ - период задержки воспламенения, τ - время сгорания топливо-воздушной смеси (ТВС), Р_мах - максимальное давление в реакторе установки во время сгорания ТВС, J - удельный импульс тяги. Результаты проведенных исследований образцов прототипа топлива «нафтил» с добавлением ДТБП в определенных отношениях компонентов представлены в таблице 3.

Из результатов испытаний, представленных в таблице 3, видно, что образцы под номерами 3,4,5 наиболее полно отвечают требованиям, предъявленным к топливам, эксплуатируемым в полете крылатой ракеты, т.е. имеют более низкую чем у прототипа (образец №1) ПЗВ, время сгорания, повышенное давление при сгорании, повышенный удельный импульс тяги, что достигнуто введением в ее состав ДТБП.

Горение с повышением давления позволяет уменьшить энтропию процесса, что приводит к увеличению полезной работы. При этом снижается удельный расход топлива.

Удельный импульс тяги - один из основных показателей эффективности ТРДД. Увеличивая удельный импульс, мы увеличиваем массу полезной нагрузки при том же количестве топлива.

Из представленных данных видно, что эффективность процесса горения улучшается при добавлении в топливо «нафтил» от 1 до 5% масс. ДТБП. При добавлении 5% масс. ДТБП и коэффициенте избытка воздуха α=2, достигается максимальный удельный импульс тяги, разница показателей с прототипом в 1,6 раза, время сгорания ТВС уменьшается в 1,23 раза, ПЗВ уменьшается в 1,58 раза, уменьшается секундный расход топлива в 1,28 раз. Содержание ДТБП в пусковом топливе свыше 5% масс. практически не приводит к дальнейшему улучшению характеристик горения образцов топлива.

Для проведения оценки физико-химических свойств в лабораторных условиях приготовлен образец прототипа топлива «нафтил» с добавлением ди-трет-бутилпероксида. Использовались стандартные методы испытания в соответствии с ТУ 38.001244-81 с изменениями №1-4 (4 - Нафтил. Технические условия). Полученные результаты представлены в таблице 4.

Оценка физико-химических свойств модернизированного топлива для ТРДД показала, что топливо «нафтил» в заданном количестве и дополнительно добавленным 5% масс. ДТБП, практически не оказывает влияния на изменение физико-химических свойств топлива и по основным показателям соответствует требованиям ТУ 38.001244-81. Снижение температуры начала перегонки говорит об улучшенной испаряемости модернизированного горючего по сравнению с прототипом, что является положительным моментом, особенно для полета крылатой ракеты при низких отрицательных температурах окружающей среды.

Топливо для ТРДД, согласно изобретению, готовят путем введения расчетного количества ДТБП в топливо «нафтил» при выполнении пунктов регламента технического обслуживания крылатой ракеты во время подготовки топлива к заправке в топливные баки или на заводе изготовителе.

Таким образом, дополнительное введение 5% масс. ДТБП в совокупности с присадкой, находящимися в топливе «нафтил» в заданном количестве, позволяет относительно прототипа повысить удельный импульс тяги не менее чем в 1,6 раза, время сгорания ТВС уменьшить в 1,23 раза, ПЗВ и секундный расход топлива уменьшить в 1,58 раза и 1,28 раз соответственно.

Использовав активирующее вещество ДТБП в совокупности с известным топливом «нафтил», позволяет считать его модернизированным так как повышает удельный импульс тяги и называться «нафтил-М».

Изобретение относится к топливам для турбореактивных двухконтурных двигателей, в частности к составам углеводородных топлив, и может быть использовано как основное топливо при автономном полете крылатых ракет воздушного базирования. Топливо для турбореактивных двухконтурных двигателей, содержащее нафтил, дополнительно содержит от 1 до 5% масс. активирующего вещества ди-трет-бутилпероксида, взятых при следующем соотношении компонентов, % масс.: ди-трет-бутилпероксид 1-5, нафтил - остальное. Технический результат - повышение эффективности топлива для применения крылатых ракет воздушного базирования с турбореактивным двухконтурным двигателем за счет увеличения удельного импульса тяги. 4 табл.

Топливо для турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащее «нафтил», отличающееся тем, что дополнительно содержит ди-трет-бутилпероксид при следующем соотношении компонентов, % масс.:

Ди-трет-бутилпероксид 1-5 «Нафтил» остальное