RU2732870C1

RU2732870C1 - Paste-like fuel composition for ramjet engine

Info

Publication number: RU2732870C1
Application number: RU2019132467A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Булавский; Георгий Яковлевич Павловец; Мария Александровна Константинова; Владимир Юрьевич Мелешко
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-09-24

Abstract

FIELD: fuel.

SUBSTANCE: invention relates to paste-like fuel for ramjet engine with afterburning chamber. Pasty fuel composition contains polyalphaolefin in amount of 80–90 %, thickened with polyisobutylene in amount of 10–20 %, liquid-viscous binder (LVB) and as ultra- and nanodispersed fuel (UNDF) boron powder or mixture of powders of aluminum borides and soot.

EFFECT: paste-like fuel composition has sedimentation stability and thixotropy, high volumetric heat of combustion, high density and minimal change of composition weight during storage in air.

1 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к пастообразным топливам для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (далее ПВРД) и может быть использовано в ракетной технике.The invention relates to pasty fuels for a ramjet engine (hereinafter referred to as ramjet) and can be used in rocket technology.

Известен ряд патентов: [1], [2], в которых предлагаются композиции топлива, в состав которых входит органическое горючеесвязующее и ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла. Общим недостатком указанных аналогов является относительно низкий уровень их энергомассовых характеристик, которые определяют баллистическую эффективность пастообразных топлив применительно к ПВРД.A number of patents are known: [1], [2], in which fuel compositions are proposed, which include an organic combustible binder and an ultrafine powder of a high-energy metal. A common disadvantage of these analogs is the relatively low level of their energy-mass characteristics, which determine the ballistic efficiency of pasty fuels as applied to ramjet engines.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является композиция топлива [3], содержащая нанодисперсные порошки металлов, где в качестве нанодисперсных компонентов применяют порошки алюминия, бора или боридов алюминия с содержанием 34-62%, при этом средний размер частиц порошков составляет 60-350 нм, полученные методом переконденсации в плазменном электродуговом реакторе, причем в качестве дисперсионной среды используют растворитель децилин, загущенный полиэтиленом в количестве 2-10%, при следующем соотношении компонентов, мас. %:Closest to the proposed invention is a fuel composition [3] containing nanodispersed metal powders, where powders of aluminum, boron or aluminum borides with a content of 34-62% are used as nanodispersed components, while the average particle size of the powders is 60-350 nm, obtained by the method of recondensation in a plasma electric arc reactor, and as a dispersion medium, a solvent decylin is used, thickened with polyethylene in an amount of 2-10%, with the following ratio of components, wt. %:

Децилин 30-40Decilin 30-40

Полиэтилен 2,5-10Polyethylene 2.5-10

Нанодисперсный порошокNanosized powder

Бора или смесь боридовBoron or boride mixture

алюминия, содержащаяaluminum containing

34-62% Al34-62% Al

Перхлорат аммония 15-35.Ammonium perchlorate 15-35.

К недостаткам данного патента можно отнести тот факт, что в нем описан состав топлива, который содержит окислитель, которого, учитывая особенности ПВРД, в составе топлива быть не должно или его содержание должно быть минимальным, поскольку это существенно снижает энергетические характеристики пастообразной композиции. Не указаны технологические режимы изготовления предлагаемого топлива. Используемый компонент децилин обладает повышенной летучестью, что исключает возможность длительного хранения композиции в негерметичных условиях. Децилин относится к относительно дорогостоящим компонентам и не имеет широкой производственной базы. Полиэтилен очень сложно растворяется в децилине. Предлагаемые в прототипе композиции отличаются относительно низкой плотностью (1,28-1,32 г/см³).The disadvantages of this patent include the fact that it describes the composition of the fuel, which contains an oxidizer, which, taking into account the features of the ramjet, should not be included in the fuel or its content should be minimal, since this significantly reduces the energy characteristics of the pasty composition. Technological modes of manufacturing the proposed fuel are not indicated. The used component decilin has increased volatility, which excludes the possibility of long-term storage of the composition in unsealed conditions. Decilin is a relatively expensive component and does not have a wide production base. Polyethylene is very difficult to dissolve in deciline. The compositions offered in the prototype are characterized by a relatively low density (1.28-1.32 g / cm ³ ).

Задачей данного изобретения является получение композиции пастообразного топлива на отечественной сырьевой базе, применяющейся в прямоточных воздушно-реактивных двигателях с камерой дожигания, обладающей седиментационной устойчивостью и тиксотропностью, высокой объемной теплотой сгорания и повышенной плотностью, минимальным убыл ем массы композиции при хранении на воздухе.The objective of this invention is to obtain a paste fuel composition on a domestic raw material base, used in ramjet engines with an afterburner, possessing sedimentation stability and thixotropy, high volumetric calorific value and increased density, minimal weight loss of the composition during storage in air.

Для решения данной задачи предложен принципиальный состав композиции пастообразного горючего, которая содержит ультра- и нанодисперсные горючие (УНДГ), в качестве которых применяют порошки бора, смесь порошков боридов алюминия (средний размер частиц порошков составляет 60-350 нм), полученные методом переконденсации в плазменном электродуговом реакторе, и сажи (средний размер частиц 3-5 нм), полученные методом пиролиза углеводородов. В качестве основы жидковязкого связующего (ЖВС) используют полиальфаолефин в количестве 80-90%, загущенный полиизобутиленом в количестве 10-20%, при следующем соотношении компонентов, мас. %:To solve this problem, a fundamental composition of a pasty fuel composition is proposed, which contains ultra- and nanodispersed fuels (UNDG), which are used as boron powders, a mixture of aluminum boride powders (the average particle size of the powders is 60-350 nm), obtained by the method of recondensation in a plasma electric arc reactor, and soot (average particle size 3-5 nm), obtained by pyrolysis of hydrocarbons. As the basis of a liquid-viscous binder (LHB), polyalphaolefin is used in an amount of 80-90%, thickened with polyisobutylene in an amount of 10-20%, with the following ratio of components, wt. %:

Пастообразные горючие на основе предложенных компонентов обладают более высокой (на 26-56%) объемной теплотой сгорания и близкой по значению плотностью по сравнению с прототипами (таблица 1).Pasty fuels based on the proposed components have a higher (by 26-56%) volumetric heat of combustion and a density close in value compared to prototypes (Table 1).

Повышение объемной теплоты сгорания и плотности пастообразных горючих достигается путем исключения в их составе окислителя перхлората аммония на энергоемкие горючие с повышенной плотностью, как жидкофазные (полиальфаолефин, полиизобутилен), так и порошкообразные бор или смесь боридов алюминия.An increase in the volumetric heat of combustion and the density of pasty fuels is achieved by eliminating the oxidant ammonium perchlorate in their composition for energy-intensive fuels with increased density, both liquid phase (polyalphaolefin, polyisobutylene) and powdered boron or a mixture of aluminum borides.

Седиментационная устойчивость и тиксотропность пастообразных горючих обеспечивается при определенном соотношении компонентов жидковязкого связующего (полиальфаолефина и загустителя полиизобутилена) и дисперсной фазы (ультра- и нанодисперсных порошков бора или смеси боридов алюминия, а также ненодисперсной сажи в качестве загустителя), что подтверждается данными, представленными в таблице 2.Sedimentation stability and thixotropy of pasty fuels is provided at a certain ratio of the components of a liquid-viscous binder (polyalphaolefin and polyisobutylene thickener) and a dispersed phase (ultra- and nanodispersed boron powders or a mixture of aluminum borides, as well as non-dispersed soot as a thickener), which is confirmed by the data presented in the table 2.

Предлагаемая нами композиция пастообразного топлива не имеет окислителя, компоненты ее нелетучи и не имеют двойных и тройных связей, что исключает полимеризацию углеводородов при длительном хранении. Все это увеличивает сроки хранения топлива и улучшает эксплуатационные характеристики по сравнению с прототипом.Our proposed pasty fuel composition does not have an oxidizer, its components are non-volatile and do not have double and triple bonds, which excludes the polymerization of hydrocarbons during long-term storage. All this increases the storage life of the fuel and improves the performance in comparison with the prototype.

Загуститель при нормальных условиях может растворяться до определенных пределов. При формировании жидковязкого связующего соотношение между загустителем и жидкой составляющей полимеров обеспечиваются вязкостные свойства, удовлетворяющие требованиям по формированию пасты.The thickener can dissolve up to certain limits under normal conditions. When forming a liquid-viscous binder, the ratio between the thickener and the liquid component of the polymers provides viscosity properties that meet the requirements for the formation of a paste.

При горении за счет взаимодействия компонентов пастообразного топлива с кислородом воздуха, нагретого до высоких температур, происходит частичное окисление нанодисперсного горючего, газификация и пиролиз углеводородной части, и продукты превращения, обогащенные горючим, из первичной камеры поступают во вторичную камеру дожигания, где происходит их полное сгорание при окислении атмосферным кислородом.During combustion, due to the interaction of the components of the pasty fuel with the oxygen of the air heated to high temperatures, partial oxidation of the nanodispersed fuel occurs, gasification and pyrolysis of the hydrocarbon part, and the conversion products, enriched with fuel, from the primary chamber enter the secondary afterburner chamber, where they are completely burned during oxidation with atmospheric oxygen.

Изготовление пастообразного топлива проводится путем смешения ультра- и нанодисперсных, в том числе пирофорных порошков горючих в жидковязком связующем в инертной газовой среде при дозированной подаче порошкообразных компонентов порциями в непрерывно перемешиваемую смесь, содержащую расчетное относительно порошка количество дисперсионной среды, до образования седиментационноустойчивой непирофорной пасты с равномерно распределенными в ней частицами дисперсной фазы. Смешение исходных компонентов проводится в двухвальных лопастных смесителях типа Беккена.The production of pasty fuel is carried out by mixing ultra- and nanodispersed, including pyrophoric, combustible powders in a liquid-viscous binder in an inert gas medium with a metered supply of powder components in portions into a continuously stirred mixture containing the calculated amount of the dispersion medium relative to the powder, until a sedimentation-resistant non-pyrophoric paste is uniformly particles of the dispersed phase distributed in it. Mixing of the initial components is carried out in twin-shaft paddle mixers of the Becken type.

Максимально возможное количество вводимой дисперсной фазы рассчитывать с учетом гравиметрической плотности, среднемассового размера и удельной поверхности частиц металлического порошка, плотности дисперсионной среды.The maximum possible amount of the introduced dispersed phase should be calculated taking into account the gravimetric density, mass-average size and specific surface of the metal powder particles, and the density of the dispersion medium.

Разработанный способ изготовления пастообразного топлива [4] обеспечивает сохранение качества пирофорных металлических порошков с размером частиц менее 1 микрона и разрушение агломератов в исходном порошке применением в качестве дисперсионных сред компонентов связующих, входящих в состав ЖВС, и достижение максимальной степени наполнения коллоидных паст дисперсной фазой.The developed method for the manufacture of pasty fuel [4] ensures the preservation of the quality of pyrophoric metal powders with a particle size of less than 1 micron and the destruction of agglomerates in the initial powder by using the binder components that are part of the LBC as dispersion media, and achieving the maximum degree of filling of colloidal pastes with a dispersed phase.

ЛитератураLiterature

1. US №6736912, 2004 г.1. US No. 6736912, 2004

2. RU №2288207, 2005 г.2. RU No. 2288207, 2005

3. RU №2485081, 2012 г.3. RU No. 2485081, 2012

4. RU №2637330, 2016 г.4. RU No. 2637330, 2016

Claims

A paste-like fuel composition for a ramjet engine containing solid-phase combustible and liquid-viscous binders, taken in ratios close to stoichiometric, characterized in that polyalphaolefin in an amount of 80-90% is used as a liquid-viscous binder, thickened with polyisobutylene in an amount 10-20%, and as an ultra- and nanodispersed fuel, boron powder or a mixture of aluminum boride powders, as well as soot, is used, with the following ratio of components in wt%:

Polyalphaolefin 30-40 Polyisobutylene 3-5 A mixture of aluminum boride powders or boron powder 50-65 Soot 1-10