Установка для определения скорости горения твёрдого топлива
APPARATUS FOR DETERMINING BURNING RATE OF SOLID FUEL

Изобретение относится к измерительной технике: к устройствам, предназначенным для определения скорости горения твердого топлива.
Актуальность данной задачи обусловлена необходимостью измерения скорости горения образцов твердого топлива (далее именуемые - образцы ТТ), применяемых для изделий различного назначения: твердотопливных аппаратов для глубоководных систем, пороховых аккумуляторов давления, нефтеносных глубоких скважин, различных ствольных систем, работающих при высоких давлениях.
Известна установка для определения скорости горения ТТ по патенту РФ №2406864 от 27.12.2010 авторов Милехина Ю.М., Кондакова М.А., Гусева С.А., Кононова В.Б., Завьялова А.Т., Калашникова В.И. Она содержит внешний источник давления газов, камеру сгорания, датчик давления и затвор. Образец ТТ включает бронированный запальный образец с укрепленным на одном его торце запальным проводником и пристыкованные к противоположному торцу несколько последовательно установленных контрольных образцов, которые сгорают поочередно при относительно низких давлениях. К торцу запального образца со стороны запального проводника прикреплен внутрикамерный источник давления газов в форме небронированного образца ТТ, который не может быть применен для значительного повышения давления вследствие недостаточного газоприхода и горящего свода, не превышающего свод горения запального образца.
Основным недостатком этой установки является следующее. При последовательном сжигании каждого контрольного образца ТТ весьма сложно создать высокий уровень давления без применения внешнего источника давления газов, применение которого сопряжено еще с повышенной опасностью при эксплуатации.
Известна также установка для определения скорости горения по патенту на изобретение №2626033 РФ опубл. 21.07.2017 г. Бюл. №21. При подаче электропитания через запальную вставку с помощью воспламенителя происходит зажигание небронированных форсажных шашек (с относительно малым горящим сводом) и контрольных бесканальных образцов ТТ (с относительно большим сводом), размещенных в нескольких одинаковых камерах сгорания. Горение всех топливных образцов происходит одновременно вследствие наличия газовой связи между камерами. Особенностью указанной установки является то, что постоянство высокого давления должно обеспечиваться применением воды, помещенной в полость корпуса (при образовании высокотемпературных продуктов сгорания ТТ смесевого типа, содержащих определенное количество конденсированных частиц в виде оксидов металлов, соляной кислоты и др.) во время измерения скорости горения, вследствие чего расходное отверстие сопловой втулки может сохранять (или изменять) свои размеры. Применение нескольких бесканальных контрольных образцов, забронированных эластичными трубками, надетыми с натягом, и форсажных канальных шашек позволяет создать высокое давление без использования внешнего источника давления газа.
Установка по указанному выше патенту принята за прототип.
К недостаткам установки-прототипа относятся следующие:
- неудобство эксплуатации, а также низкая производительность из-за сборки-разборки установки, особенно при многократных испытаниях, вследствие значительного веса (массы) ее узлов;
- увеличение площади расходного отверстия сопловой втулки из-за разгара при истечении двухфазных высокотемпературных продуктов сгорания ТТ, что приводит к снижению уровня постоянного высокого давления и повышению погрешности определения скорости горения;
- в аварийном случае при нерасчетном повышении максимального давления возникает вероятность разрушения установки, что приводит к значительным финансовым (и ) затратам на изготовление нового комплекта.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение прочности основных узлов и производительности установки, снижение погрешности измерения скорости горения ТТ при высоком постоянном давлении, повышение безопасности и экономичности при эксплуатации.
T
Технический результат достигается тем, что установка для определения скорости горения твердого топлива, содержащая корпус, заполненный на 90% водой, несколько пристыкованных к корпусу радиально установленных в горизонтальной плоскости камер сгорания с размещенным в каждой контрольным образцом в виде бесканальной шашки, снабженной со стороны запала форсажными канальными шашками, и установленную на корпусе сменную сопловую втулку с расходным отверстием, при этом корпус выполнен составным из крышки и стакана, который, а также все камеры сгорания, исполнены из двух цилиндров путем автоскрепления. При этом одна из установленных в камерах сгорания измерительных вставок выполнена с упорным буртиком уменьшенной толщины, равной около 0,6d, где d - толщина буртика остальных измерительных вставок. В корпус установлен фильтр грубой очистки, выполненный в форме центральной стальной трубы с перфорированным заглушенным концом на длине  где  - длина перфорированной части, L - длина трубы-фильтра, покрытой металлической сеткой, а также фильтр тонкой очистки, размещенный перед сопловой втулкой и выполненный из многослойной металлической сетки.
Предлагаемое изобретение поясняется рисунком: Фиг. - общий вид установки. На приведенной фигуре показано устройство установки для определения скорости горения твердого топлива и ее особенности, где 1 - стакан; 2 - крышка; 3 - воспламенитель; 4 - вставка запальная; 5 - форсажные канальные шашки; 6 - камера сгорания; 7 - образец контрольный; 8 - сигнализатор; 9 - вставка предохранительная; 10 - втулка дополнительная; 11 - фильтр-I; 12 - сетка; 13 - фильтр-II; 14 - пробка; 15 - сопловая втулка; 16 - вставка измерительная.
Основными рабочими узлами установки являются корпус и несколько камер сгорания. Поскольку камеры сгорания 6 и корпус являются наиболее тепло- и баронапряженными узлами, то они выполнены из двух цилиндрических деталей каждый путем автоскрепления, а корпус, кроме того, представлен составным из стакана 1 и крышки 2.
Автоскрепление является одним из известных приемов увеличения прочности материала сосудов высокого давления. (Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях, М., «Химия», 1976, стр. 63-65).
В составной корпус (по центру) помещен фильтр-I поз.11 для грубой очистки продуктов сгорания топлива, который представляет собой цилиндрическую стальную трубу с заглушенным нижним концом.
T
T
В нижней части трубы фильтра выполнена перфорация в виде отверстий, которые снаружи закрыты металлической сеткой 12. Перфорация размещена на длине 0,2L, где L - длина трубы.
Для уменьшения разгара расходного отверстия сопловой втулки 15 перед ней дополнительно установлен фильтр-II тонкой очистки 13 в виде нескольких слоев металлической сетки.
С целью предотвращения разрушения установки при превышении максимально допустимого давления одна из установленных в камерах сгорания измерительных вставок 9 (которую можно назвать предохранительной) выполнена с упорным буртиком уменьшенной толщины, равной около 0,6d, где d - толщина буртика остальных измерительных вставок 16, и дополнена втулкой 10 толщиной, равной 0,4d, чтобы компенсировать уменьшение толщины упорного буртика и обеспечить одинаковую сборку камер сгорания. В итоге одна из камер сгорания, содержащая измерительную вставку с уменьшенной толщиной упорного буртика, выполняет одновременно роль предохранительного узла, обеспечивающего сохранность установки в аварийном случае.
Установка работает следующим образом. Для создания высокого давления (от двадцати до нескольких сотен мегапаскалей) с помощью воспламенителя 3, поданным электропитанием через запальную вставку (запал) 4, производится зажигание канальных форсажных шашек 5 и контрольных бесканальных образцов 7, размещенных в камерах сгорания 6.
Образовавшиеся при совместном горении образцов высокотемпературные двухфазные продукты сгорания металлизированных твердых топлив, содержащие наряду с газообразными продуктами определенное количество конденсированных частиц в виде оксидов металлов и соляной кислоты, по камерам 6 и крышке 2, поступают в перфорированную стальную трубу фильтра 11.  часть агломерированных конденсированных частиц (смесь оксидов металлов с углеродными частицами) задерживается в перфорированной трубе с помощью металлической сетки 12. Затем остальные частицы задерживаются многослойной металлической сеткой фильтра тонкой очистки 13. Газообразные продукты сгорания ТТ и пары воды истекают через расходное отверстие сопловой втулки 15, установленной на стакане 1 корпуса.
При достижении фронтом горения контрольного образца 7 сигнализатора 8 происходит сгорание его, световой импульс по световоду измерительной вставки 16 фиксируется через фото датчик регистрирующей аппаратурой в форме автономного четкого пика для каждого контрольного образца ТТ, по которому осуществляется измерение времени (и скорости) горения при заданном высоком давлении.
После окончания горения этих образцов, истечения продуктов сгорания и паров воды из установки происходит снижение высокого давления до атмосферного.
В результате такого выхода продуктов сгорания твердотопливных образцов совместно с парами воды снижается разгар расходного отверстия сопловой втулки 15, установленной на корпусе, тем самым обеспечивается достаточное постоянство высокого давления и поддержание необходимой точности измерения скорости горения твердого топлива.
В аварийном случае при нерасчетном превышении максимального давления происходит срезание упорного буртика толщиной 0,6d предохранительной вставки 9, которая выбрасывается из установки и за счет значительного увеличения площади расходного отверстия обеспечивается снижение давления до атмосферного уровня. Разрушения установки не происходит.
Таким образом выполнение корпуса (в виде стакана и крышки) и всех камер сгорания составными из двух цилиндров путем автоскрепления (в каждом случае), введение предохранительной вставки за счет усовершенствования одной из установленных в камерах сгорания измерительных вставок, снабжение фильтрами грубой и тонкой очистки позволили повысить прочность основных узлов (со снижением веса), долговечность, безопасность, экономичность при эксплуатации установки и повысить точность измерения скорости горения ТТ при высоком постоянном давлении.
Испытания предлагаемой установки в условиях опытного полузаводского производства АО «НИИПМ» подтвердили ее эффективность.