АКТУАЛЬНОСТЬ РЕШАЕМОЙ ЗАДАЧИ
В начале 90-х годов XX века изменение геополитической ситуации в мире и связанное с этим существенное сокращение военного производства и научных исследований в стране поставило перед Россией неотложную политическую и экономическую задачи использования накопленного за г десятилетия уникального научно-технического и кадрового потенциала в авиаи ракетостроении для повышения технического уровня и экономической конкурентоспособности продукции и технологий, необходимых в «народном хозяйстве». Жизнь стала-диктоватьиспользование при создании новых образцов техники промышленного и научно го назначения оборонных технологийкоторые получили название высоких технологийдвойного назначения. Подобный подход при грамотной организации может обладать. и ¦ реверсивностью, т. е. при изменении мировых тенденций на обратные (возрастание внешних угроз России) позволит результаты, полученные уже для гражданской промышленности, вновь использовать дляоборонных целей и сохранить кадровыйпотенциал.
Из уже успешно реализованных подобных технологий? в «народном хозяйстве», заимствованных из ракетно-космической техникиможно назвать: изготовление и нанесение теплозащитных, гальванохимических и лакокрасочных покрытийупрочнение поверхностного слоя деталей потоками газовзвесей твёрдых частиц;
Убедительными примерами практической s конверсии газогенерирующих устройств на твердом ракетном топливе стало использование их с небольшими модификациями для нужд «народного хозяйства» в системах пожаротушения, для приводов задвижек аварийных клапанов в магистральных нефтеи газопроводах и т. п.
Продолжаются исследованияпо использованию энергии, получаемой теми или иными способами в газогенераторах и энергоустановках, для МГД-генераторов, в ускорителях плазмы заряженных частиц, в энергоизлучающих установках.
Кроме перечисленных и ставших уже известными конверсионных приложений, научно-технические результаты, получаемые в ходе отработки разных образцов энергоустановок на основе жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), ракетных двигателей на твёрдом топливе (РДТТ) и прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), как представляется, не только могут, но и должны быть адаптированы для созданияновых (не имеющих сегодня-аналогов) материалов, устройств и технологических процессов. В основе такой концепции лежат разнообразные научные данные, свидетельствующие о том, что именно в камерах сгорания (КС) ракетных двигателей и аналогичных энергоустановок реализуются наиболее интенсивные и теплонапряженные процессы преобразования материалов и энергии, которые по удельным параметрам на порядок превосходят режимы, работы традиционных устройств. В частности, использование процессов горения и течения в камерах сгорания и соплах ракетных и особенно воздушно-реактивных двигателей может открыть широкие возможности разрешения проблемных вопросов материаловедения, касающихся? синтеза материалов с особыми: свойствами для многих отраслей современной техники [1, 2]. Это может позволить одновременно разрешать (разумеется, частично) две как бы самостоятельные, но на самом деле связанные между собой глобальные проблемы — проблемы разработки новых материалов и проблемы их получения. Кратко поясним эту мысль.
К началу XXI века совершенство технических объектов (особенно в ракетной: технике) при: использовании * в их конструкциях традиционных материалов практически достигло ¦ своего предела. На основе современной методологии проектирования сложных технических систем: [3−5] принято считать, что большие потенциальные перспективы совершенствования, технических объектов кроются в выявленииисследованиии использовании в деталях конструкций материаловновых по своим характеристикам, свойствам и функциональным возможностям.
Как показывает опыт наиболее передовых в техническом отношении стран, при разработке новых конструкций наблюдается тенденция к увеличению в них числа деталей, получаемых, методами порошковой металлургии, что позволяет обеспечить большую экономию материала и повысить ресурс работы изделий
10]. Благодаря использованию при изготовлении деталей (прессовании и спекании) разнообразных по химическому и физическому составу порошковых компонентов, существуют широкие возможности управления! конечными свойствами получаемых материалов [9−11]. Развитие подобных технологий невозможно без производства высококачественных исходных порошков [ 10V16, 20].
Одно из главных современных направлений исследований в области разработки новых порошковых материалов — это получение ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений и керамики со сферической формой с размером частиц 100-f500 нм [15−18]. Порошки должны обладать заданным химическим, морфологическим и гранулометрическим составомотсутствием полиморфизма, содержанием, примесей менее -1%, узким распределением частиц по размерам и отсутствием* склонностик агломерации: Такие порошковые материалы могут использоваться при изготовлении высококачественных керамических деталей для машиностроения (см. таблицу 1 Приложения), а также в других областях современных технологийгде могут быть использованы * эффекты изменения! механических, физико-химических и электромагнитных свойств материала при переводе его в ультрадисперсное состояние.
Но, к сожалению,.изготовление таких ультрадисперсных материалов (УДМ) является' слабым-местом в высоких технологиях [15, 20] ввиду большой трудоёмкости и энергоёмкостиметодов % их производства. Вследствие этого существенно ограничиваются"возможности использования УДП для широкого применения в изготовлении керамических материалов с уникальными свойствами для современного машиностроения и в других высокотехнологичных отраслях., Все проблемы получения? ультрадисперсных порошков-в той или инойстепениi связаны с трудностями, которые: можно отнести к получению указанных выше' характеристик., На? практике редко удается преодолеть все трудности одновременно [19,20,21].
Таким образом, из вышеизложенного следует, что исследование и обоснование новых, более производительных, экономичных, надёжных и экологически: безопасных методов> получения высокодисперсных порошков? с заданными: морфологическимисвойствами и. гранулометрическим составом на основе использования элементов конструкции и внутрикамерных процессов ракетных энергетических установок, — является актуальной научно-технической задачей.
Основную часть решения этой задачи составляет разработка энергетически выгодных управляемых способов организации процессов преобразования исходных материалов в ультрадисперсное состояние.
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Несмотря на высокие технико-экономические показатели при конверсионном использовании, малоизученной остаётся область применения рабочих процессов ракетных двигателей (РД) и энергетических установок (ЭУ), сходных с РД по принципу действия, для получения новых материалов. Между тем, их использование для синтеза (получения) различных химических соединенийявляется весьма перспективным. Отметим принципиальные потенциальные преимущества организации рабочих операций в камерах сгорания ЭУ:
1) большая производительность за счет высокой интенсивности процессов, включая скорости тепломассообмена, высоких температур (порядка 3000 К) и, как следствие, — высоких скоростей протекающих физико-химических процессов;
2) возможность управления рабочими процессами;
3) возможность использования экспериментального и научного опыта, накопленного отечественными и зарубежными создателями аэрокосмической техники.
Как показывает анализ различных источников, рабочие процессы камер сгорания ЭУ особенно эффективно могут быть использованы для получения новых порошковых материалов при реакциях дисперсной и газовой фаз в горячих потоках.
Известно, что использование порошкообразных металлов в качестве горючего [30, 31] открывает большие возможности развития ракетных и прямоточных воздушно-реактивных двигателей [30−35] с точки зрения принципиальных улучшений их технических характеристик, а также конверсионной реализации рабочих процессов таких ЭУ при получении новых УДП с заданными свойствами для современных порошковых технологий.
В ходе проведения научно-исследовательских работ в ОКБ «Темп» при ПГТУ по изучению внутрикамерных процессов, протекающих в энергетических установках (ПВРД) на порошкообразном металлическом горючем, был выявлен, а затем и экспериментально опробован простой и эффективный метод получения высокодисперсных оксидов металлов.
Исследования горения порошков алюминия, распыленных в воздушном потоке в КС, позволили заложить теоретические основы расчёта процессов синтеза высокодисперсных оксидов" путем сжигания исходныхпорошкообразных материалов в потоке активных газов. В основе метода лежат физико-химические процессы получения продуктов сгорания в газодисперсной форме, протекающие при горении металлов в воздухе в виде газовзвеси частиц
Метод, основанный на использовании рабочих процессов в камерах сгорания ЭУ на порошковом металлическом горючем? (ПМП) позволяет получать высокодисперсные порошки с заданными свойствами за счёт управления! формой и структурой частиц продуктов сгорания путём регулирования термодинамических параметров газовой фазы и составов исходных порошков металлов. Процесс синтеза характеризуется малой энергоёмкостью вспомогательныхопераций, отсутствием необходимости подвода энергии извне непосредственно для преобразования исходного материала (поскольку образование целевого продукта происходит в результате — самоподдерживающейсяэкзотермической: реакции) и высокой производительностью по отношению >к другим известным методамТаким: образомфизико-химические процессы сгорания порошкообразных металлов• в потоке активных газов? в камерах сгорания < энергетических установок на псевдожидком топливе, являются? весьма перспективными при их использовании для получениявысокодисперсных и ультрадисперсных порошков тугоплавких соединений и керамики.
Основы этого метода на примере образования УДП оксида алюминия описаны вработах В. И. Малинина с сотрудниками [29, 38]. На экспериментальной стендовой установке: был осуществлён*синтез ультрадисперсного оксида алюминия с размером частиц 30.300 нм. Качество• полученного порошка свидетельствовало, что он может быть использован дляпоследующего изготовлениякерамических материалов с уникальными свойствами.
Однако, выявление метода как такового и наличие экспериментальной установки для исследования процессов, протекающих при сжигании порошкообразного алюминия в камере сгорания, ещё не свидетельствуют о возможности его применения для получения продукции в промышленных масштабах. Основным препятствием является ограничение функциональных критериев развития экспериментальной установки получения УДП АЬОз, преобразованной из прямоточного ВРД:.ряд технических решений, ограничивает длительность непрерывной работы (менее 120 секунд).
Поэтому следующим необходимым этапом развития метода, определяющимнаучную новизну и практическую значимость темы диссертации, является разработка и обоснование технических решений, позволяющих адаптировать процессы сжигания порошкообразного горючего в камере сгорания ПВРД для создания оригинальных конверсионных технологий и установок, позволяющих получать УДП оксидов металлов с заданными свойствами в промышленных масштабах с обеспечением устойчивых регулируемых параметров рабочих операций.
Целью диссертационной работы является:
Анализ рабочих процессов сжигания аэровзвеси алюминия в камере сгорания для обоснования целесообразности конверсионной реализации функционирования ЭУ на порошкообразном горючем при разработке методов получения в промышленных масштабах ультрадисперсных порошков оксидов с управляемыми свойствами.
Основные задачи, которые необходимо решить для достижения целей работы:
1. Провести исследование основных рабочих процессов сжигания аэровзвеси алюминия! в ПВРД на порошковом горючем и экспериментальной установке получения ультрадисперсного оксида, и установить физические и размерные связимежду параметрами отдельных этапов синтеза целевого продукта и конструктивными размерами соответствующих узлов установки.
2. Определить недостатки технических решений, использованных в существующей экспериментальной установке синтеза ультрадисперсного оксида, приводящих к ограничению непрерывного цикла получения готового продукта. По результатам проведённого исследования выработать и обосновать новые технические решения по созданию оборудования, обеспечивающего адаптацию рабочих процессов подачи, воспламенения и сгорания алюминия, протекающих в ЭУ на псевдожидком (порошковом) горючем, — для конверсионного использования при получении новых порошковых материалов в промышленных масштабах.
3. Выработать рекомендации по использованию результатов, полученных при исследовании рабочих процессов-,
4. Обосновать принципиальную возможность диверсификации метода, использующего сжигание аэровзвесигалюминия при синтезе УДП А12Оз с целью расширения области применения процессов: сгорания порошкового горючего для получения, помимо оксида алюминия, ультрадисперсных порошков аналогичных химических соединений (оксидов и нитридов).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
1. Получены результаты, доказывающие принципиальную возможность адаптации внутрикамерных процессов в прямоточном воздушно-реактивном двигателе на порошковом горючем для создания промышленных методов получения ультрадисперсных порошков.
2. Установлены физические и размерные связи между параметрами рабочих процессов сжигания < аэровзвеси алюминия и конструктивными размерами элементов системы подачи и камеры воспламенения установки получения ультрадисперсного оксида алюминия.
3. В результате проведённого анализа рабочих процессов ЭУ на порошковом металлическом — горючем (ПМГ) разработаны новые технические решения по установке, позволяющей получать любые заданные объемы УДП А12Оз в непрерывном цикле производства. Обоснована принципиальная возможность осуществления разработанных решений с точки зрения обеспечения работоспособности используемых конструкционных материалов и приемлемых размеров элементов системы подачи и камеры воспламенения при тепловых и механических нагруз
11 ках, сопровождающих процессы синтеза.
4. Установлено, что при получении ультрадисперсного оксида алюминия в широком диапазоне изменения основных рабочих параметров содержание вредных газообразных соединений в продуктах реакции не будет превышать предельно допустимого уровня.
5. Обоснована принципиальная возможность примененияметода сжигания газовзвесей порошковых материалов в камерах сгорания для получения порошков следующих соединении: AlN, Si3N4, BN, Mg2Si04, MgAl204, Ce203, Y203, SrO. Определены потенциальные параметры*расходов сырья для регулирования состава, образующихся продуктов.
ПРАКТИЧЕСКАЯЗНАЧИМОСТЬ
1. Результаты исследований смогут быть положены в основу разработки образцов: оборудования, использующих рабочие процессы ПВРД на порошковом горючемадаптированные для получения в промышленных масштабах ультрадисперсного оксида алюминия с заданными свойствами.
2. Материалы, представленные в диссертации, позволят определять параметры основных рабочих процессов и элементов конструкций установок, различных по производительности и требуемым свойствам получаемых УДП, что существенно сократит время их проектирования и длительность последующей отработки.
3. Представленные в работе технические решенияоткрывают широкие возможности конверсионной — реализациипроцессов * преобразования — порошковых материалов в потоках активных газов в камерах сгорания ЭУ для создания полифункциональных высокопроизводительных методовполучения ультрадисперсных порошков не только А1203, но и других оксидов и нитридов.
4. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем смесеобразования различных реакторов синтеза ультрадисперсных материалов, где используется сырьё в виде порошка, а также при создании, систем смесеобразования и горения новых тепловых и ракетных двигательных установок на порошкообразном металлическом горючем.
5. Полученные при выполнении диссертационной работы материалы могут быть использованы в учебном процессе технических вузов по специальностям: «Ракетные двигатели» (при изучении процессов в прямоточных РД), «Технология машиностроения» (при изучении методов получения новых материалов) и «Композиционные порошковые материалы, покрытия» (при углублённом изучении оригинальных методов производства ультрадисперсных материалов).
МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ
ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Использованы методы, математического моделирования процессов воспламенениями горения полифракционных металлических порошковгв воздушном потоке, методы математического моделирования процессов фильтрации и теплообмена в пористых средах, методы термодинамических расчётов составапродуктов сгорания, методы проектирования сложных технических систем, программирование на ЭВМ:
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
1. Результаты теоретических исследований рабочих процессов транспортирования (подачи) исходного порошкообразного материала в зону реакции и его последующего воспламенения: зависимости, связывающие параметры указанных процессов иразмеры элементов конструкции системы подачи и камеры воспламенения.
2. Результаты разработки и обоснования технических решений по системе подачи и камере воспламенения, обеспечивающих эффективное управляемое протекание процессов получения УДП AI2O3 за счёт адаптации этих узлов к реализации непрерывных рабочих операций сжигания металлического порошка при функционировании в составе промышленной установки.
3. Адаптированная схема организации рабочих процессов сжигания порошкового алюминиевого горючего в потоке воздуха в камере сгорания, обеспечивающая их эффективное использование при получении УДП А120з с заданными свойствами. Техническое решение по установке получения ультрадисперсных оксидов в промышленном масштабе, основанное на конверсионном использовании ПВРД на порошковом горючем.
4. Результаты исследований по диверсификации методашолучения УДП А120з путём сжигания аэровзвеси алюминия: изучение принципиальных возможностей использования горения простых веществ и их смесей в потоке воздуха в камерах сгорания ЭУ на порошковом горючем для синтеза, помимо А120з, порошков других соединений, представляющих большой интерес для современного материаловедения: Si3N4, A1N, MgAl204, Mg2Si04, BN и их смесей, а также Ce203,~Y203 и SrO.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:
Основные результаты работы докладывались на нескольких всероссийских и международных научно-технических конференциях:
1) V Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая > техника и высокие технологии — 2002. г. Пермь, 2002.
2) III Всероссийской научно-технической конференции: Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики, г. Томск, 2002.
3) Областной научной конференции молодых учёных, студентов и аспирантов «Молодёжная наука Прикамья — 2002». г. Пермь, 2002.
4) VI Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая: техника и высокие технологии -2003. г. Пермь, 2003.
5) Всероссийской' научно-техническойконференции: VII Королёвские чтения, г. Самара, 2003.
6) Международной конференции «Ракетные двигатели и проблемы их применения для освоения космического пространства. К 100-летию идеи К. Э. Циолковского» («SPACE-2003»). РоссияМосква-Калуга, 2003 г.
7) VII? Всероссийской научно-технической i конференции: Решетнёвские чтения. г. Красноярск, 2003.
8) VII Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2004. г. Пермь, 2004.
9) Международной научно-практической конференции по перспективным композиционным материалам «НАНОКОМПОЗИТЫ-2004» — г. Сочи, 2004.
ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводовсписка литературы и приложенияизложена на 135 страницах, содержит 48 иллюстраций, 7 таблицбиблиографический список включает 114 наименований.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
В результате анализа рабочих процессов сжиганияпорошка алюминия в потоке воздуха в камере сгорания ПВРД, обоснованы возможности конверсионного использования ЭУ на псевдожидком (порошковом) горючем для создания новых методов промышленного производства ультрадисперсных материалов, основанных на процессах горения аэровзвесей простых веществ. Выявлены два перспективных направления-исследований по дальнейшему развитию и совершенствованию использованияшнутрикамерных процессов, сжигания • порошкового металлического горючего для получения УДП AI2O3:
1) разработка новых установок, позволяющих адаптировать процессы сжигания порошкообразного алюминия для реализации непрерывных операций полученияУДП А120з в промышленных масштабах;
2) диверсификация метода получения ультрадисперсного оксида путём: сжигания аэровзвеси алюминия в камере сгорания за счёт использования принципиальных возможностей процессов горения простых веществ в потоках активных газовдля производства высокодисперсных порошков других неорганических соединений, применяемых в различных областях современных высоких технологий.'
В диссертационной работе получены следующие основные результаты:
1. Выполнены. теоретические исследованияпо установлению взаимосвязей между главными параметрами рабочих процессов сжигания аэровзвеси алюминия и геометрическими размерами основных элементов конструкции установки получения УДП AI2O3. Полученные результаты представляют основу для разработки и обоснования технических решений * по созданию установок непрерывного действия, позволяющих адаптировать внутрикамерные процессы горенияпорошкового горючего для промышленного производства УДП.
2. Выявлены принципиальные недостатки экспериментальной< стендовой установки получения г УДП А1203. существенно ограничивающие, эффективность> использования рабочих процессов сжигания порошкообразного металла в камере сгорания для промышленного производства целевого продукта. Разработаны и обоснованы новые технические решения по системе подачи исходного материала и по камере воспламененияпозволяющие устранить недостатки схемы экспериментальной установки и обеспечить непрерывные процессы транспортирования порошкообразного металла в зону реакции и его воспламенения: а) схема системы. подачи из нескольких вертикально расположенных цилиндрических контейнеров, позволяющая устранить необходимость использования в конструкции дополнительных элементов, поддерживающих требуемую форму порошковой массыб) схема камеры воспламенения с пассивной тепловой защитойтранспира-ционным! охлаждением, — включающая внутреннюю оболочку, для изготовления: которой может быть использован широкий класс термостойких пористых проницаемых материалов;
3- На базе усовершенствованных схем системы подачи и камеры воспламенения разработана принципиальная схема установки получения ультрадисперсного оксида алюминия, обеспечивающая адаптацию рабочих процессов подачи, воспламенения и сгорания алюминия: в ПВРД на порошковом горючем для. конверсионного использования при разработке промышленных методов управляемого синтеза УДП.
4. Обоснована принципиальная возможность диверсификации конверсионного использования процессов сжигания алюминия в камере сгорания для создания полифункциональных методов получения, помимо УДП AI2O3, высокодисперсных порошков i оксидов других металлов и нитридов. Определены потенциальные параметры расходов исходных материалов для регулирования состава образующихся продуктов.
Таким: образом, результаты работы позволяют создавать новые технические решения по промышленным установкам,.значительно повышающим эффективность использования процессов горения порошков простых веществ в потоках активных газов в камерах сгорания ЭУ для получения УДМ с заданными морфологическими свойствами и гранулометрическим составом.
По теме диссертации опубликовано 14 работ.
