ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР ДЛЯ ПОДВОДНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
SOLID-PROPELLANT GAS GENERATOR FOR UNDERWATER USE

По сущности физико-химических процессов изобретение относится к области ракетной техники, а более конкретно к области регулирования твердотопливных газогенерирующих систем для подводного применения, которые могут быть использованы при проведении подводно-технических работ и судоподъема, а также в других подобных условиях.
Известно устройство в виде ракетного двигателя с гидравлическим регулированием модуля тяги [1]. Известное устройство содержит камеру сгорания с соплом и скрепленный с корпусом камеры блок твердого ракетного топлива и воспламенитель. В топливном блоке выполнен сквозной продольный канал, который заполнен жидкостью и соединен через специальный регулирующий клапан с дополнительной камерой или атмосферой. Работа такого устройства определяется перепадом давления между камерой сгорания и атмосферой, которое приводит к вытеснению жидкости из каналов. По мере вытеснения жидкости, обнажающиеся стенки канала воспламеняются за счет проникающих продуктов горения блока топлива. Газоприход определяется скоростью выдавливания жидкости из канала, которая регулируется путем изменения проходного сечения клапана.
Недостатком известного газогенерирующего устройства является узкий диапазон регулирования газоприхода и отсутствие технического средства для осуществления прекращения горения и повторного зажигания блока ракетного топлива.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является газогенератор по патенту [2]. В известном газогенераторе, содержащем камеру сгорания, цилиндрическую шашку унитарного твердого топлива и состоящее из электрического нагревателя средство воспламенения, камера сгорания заполнена водой с образованием газовой подушки, Твердотопливная шашка установлена непосредственно в жидкости с полным погружением, причем на верхнем торце твердотопливной шашки надет с возможностью возвратно-поступательного движения локализатор зоны горения в виде перевернутого термостойкого стакана, днище которого снабжено электрическим нагревателем и связано со штоком средства управления. Средство управления локализатором зоны горения расположено на верхней части камеры и состоит из пустотелой вертикальной колонны, содержащей винтовую пару, связанную со штоком, проходящим через предусмотренное в верхней части камеры отверстие с герметично-подвижным уплотнением.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции исполнительных механизмов средства его управления, связанной с необходимостью использования массивного корпуса и скрепленной с ним дополнительной арматуры, размеры которой служат ограничением используемой длины топливной шашки.
Поставлена задача объединения в едином устройстве локализатора зоны горения и исполнительного механизма его управления, которое могло бы функционировать в открытых водоемах без какой-либо герметизации и дополнительной арматуры с использованием закрепленной на опоре топливной шашки без ограничения ее длины.
Поставленная задача решается тем, что в известном твердотопливном газогенераторе, содержащем установленную на опоре цилиндрическую шашку унитарного твердого топлива, на верхнем торце которой надет локализатор зоны горения в виде перевернутого термостойкого стакана с электрическим нагревателем, и средство управления, локализатор зоны горения выполнен разъемным в виде шарнирной пары с горизонтальной шарнирной осью на боковой поверхности с возможностью пространственного поворота электронагревателя относительно термостойкого стакана, в котором предусмотрена перфорация днища, причем на противоположной стороне от оси шарнира к электронагревателю прикреплен кронштейн, на котором установлен исполнительный механизм средства управления, выполненный в виде электромотора с лопастным движителем.
На нижней части электронагревателя может быть предусмотрен охватывающий термостойкий стакан буртик, по высоте превосходящий толщину перфорированного днища термостойкого стакана.
Шарнирная пара может быть выполнена подпружиненной.
Выполнение локализатора зоны горения разъемным в виде шарнирной пары с горизонтальной шарнирной осью на боковой поверхности с возможностью пространственного поворота электронагревателя относительно термостойкого стакана в сочетании с перфорацией днища последнего позволяет регулировать темп газообразования, включая прерывание горения и повторное зажигание, без использования ограничивающей длину шашки арматуры. Прикрепление на противоположной стороне от оси шарнира к электронагревателю кронштейна, на котором установлен исполнительный механизм средства управления, выполненный в виде электромотора с лопастным движителем, позволяет вместо взаимодействия с арматурой использовать движущую силу, получаемую за счет «упора» от взаимодействия с окружающей средой.
Наличие на нижней части нагревателя охватывающего термостойкий стакан буртика, по высоте превосходящего толщину перфорированного днища термостойкого стакана, обеспечивает при нагревании образование паровой прослойки в зоне зажигания, что способствует более быстрому зажиганию топлива.
Выполнение шарнирной пары подпружиненной позволяет частично или полностью уравновесить вращающий момент, возникающий за счет веса электронагревателя, что обеспечивает более быстрый отклик исполнительного механизма на управляющие воздействия для изменения темпа газообразования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 изображен вид сверху предлагаемого устройства; на фиг. 3 представлена верхняя часть газогенератора и промежуточное положение уровня воды после раскрытия локализатора зоны горения; на фиг. 4 изображена верхняя часть газогенератора и форма шашки после прекращения горения.
Предлагаемый твердотопливный газогенератор (фиг. 1, 2) включает в себя установленную преимущественно вертикально на опоре 1 цилиндрическую топливную шашку 2 и разъемный локализатор зоны горения, состоящий из термостойкого стакана 3 с перфорированным днищем 4 и электронагревателя 5 со спиралью накаливания 6 и теплоизолятором 7. Термостойкий стакан 3 и электронагреватель 5 соединены посредством шарнира 8 с горизонтальной осью. На противоположной стороне от шарнира 8 к электронагревателю 5 прикреплен кронштейн 9, на котором установлен электромотор 10 с лопастным движителем 11. На нижней стороне электронагревателя 5 предусмотрен охватывающий термостойкий стакан 3 буртик 12, по высоте превосходящий толщину перфорированного днища 4 термостойкого стакана. 3. Для крепления предлагаемого газогенератора в опоре 1 выполнены отверстия 13. Для питания электронагревателя 5 и электромотора 10 предусмотрены подводящие провода от источника тока (на фигурах не показаны).
Использование предлагаемого газогенератора осуществляется полностью в подводном положении, например, при вытеснении воды из балластной цистерны при судоподъеме.
Работа газогенератора осуществляется следующим образом. При подаче напряжения на спираль накаливания 6 электронагревателя 5 происходит разогрев перфорированной донной части 4 термостойкого стакана 3. При достижении температуры выше температуры воспламенения топлива, последнее зажигается по верхнему торцу, и продукты горения оттесняют воду вниз. Освобождаемая от воды боковая поверхность шашки также воспламеняется и, по мере сжигания слоев топлива, локализатор зоны горения под действием собственного веса движется за фронтом газообразования.
Для прерывания горения подают напряжение на электромотор 10, и за счет движителя 11 происходит раз движение локализатора зоны горения. Содержащиеся в термостойком стакане 3 продукты горения начинают истекать через перфорированное днище 4 в виде пузырьков 14 (фиг. 3). При этом уровень воды в термостойком стакане поднимается, в итоге заполняя весь объем (фиг. 4).
об
Для выявления преимуществ предлагаемого газогенератора проведем его сравнение с прототипом по габаритно-массовым характеристикам. При этом будем считать, что масса опоры приблизительно равна массе днища корпуса прототипа, а масса электродвигателя эквивалентна массе верхнего (усиленного для нормального функционирования винтовой пары днищеподающий шток) днища корпуса прототипа. Таким образом, помимо массы локализатора зоны горения (ЛЗГ) и топливной шашки в предлагаемом изобретении в прототипе добавляется масса обечайки корпуса газогенератора, длина которой соответствует длине используемой топливной шашки. Масса упомянутой обечайки m может быть оценена, исходя из допущения (с учетом размещения в ней ЛЗГ), что при равной длине ее диаметр вдвое превышает диаметр топливной шашки
где d - диаметр топливной шашки, м; l - длина топливной шашки, м;
ст
3
ρ - плотность материала обечайки (сталь), кг/м.
Масса топливной шашки может быть определена из соотношения
3
где ρ - плотность топлива, кг/м.
Масса локализатора зоны горения может быть определена следующим образом. Диаметр ЛЗГ может быть принят равным 1,5 d, высота - 0,5 d, а толщина стенок в пределах 0,02 d. Тогда конструкция ЛЗГ схематично может быть представленной из 4-х пластинок и обечайки, масса которых определяется из следующего соотношения (массой спирали накаливания и теплоизолятора пренебрегаем):
1
2
где m - масса пластины ЛЗГ, кг; m - масса боковых стенок ЛЗГ, кг.
Для шашки диаметром 0,2 м масса ЛЗГ составит
Усилие F, создаваемое лопастным винтом, при эффективной мощности двигателя N можно оценить из приближенного соотношения [3]
где k - коэффициент, для буксирных винтов равный (0,18…0,21) Н/Вт.
Например, для создания усилия в 40 Н необходимая мощность электромотора составляет
Для уменьшения требуемой силы для управления газогенератором шарнирную пару следует подпружинить настолько, чтобы частично или полностью компенсировать момент силы веса нагревателя с электромотором. При этом возможны два варианта настройки газогенератора. В одном режиме локализатор зоны горения в первоначальном положении закрыт и для управления при помощи движителя создают силу, направленную вверх. В другом режиме локализатор зоны горения в начальном положении раздвинут, а для воспламенения шашки и последующего поддержания горения обеспечивают наличие силы, направленной вниз.
об
Для сравнения габаритно-массовых характеристик предлагаемого газогенератора с прототипом примем гипотетический наддув 200-тонного стального судоподъемного понтона, имеющего диаметр внутренней обшивки 5,52 м [4]. Если использовать, например, баллиститное топливо типа «Н», то для вытеснения балласта охлажденными продуктами горения на максимальной глубине погружения в 50 м потребуются четыре топливные шашки диаметром 0,2 м и длиной 5,0 м (массой по 250 кг каждая). Для каждой шашки прототипа отношение m/(M+m) составляет 2,2, а для предлагаемого газогенератора отношение m/M равно 20,0. Другими словами, на единицу массы конструкции в предлагаемом газогенераторе по сравнению с прототипом приходится масса топлива в 9 раз больше.
Источники информации
1. Петренко В.И и др. РДТТ с регулируемым модулем тяги. Миасс: Изд. ГРЦ им. акад. В.П. Макеева, 1994. С. 97.
2. Патент 2357094 РФ, МПК F02K 9/26, B01J 7/02, F23B 99/01. Способ управления сжиганием унитарного твердого топлива в жидкой среде и газогенератор / В.Д. Барсуков, С.А. Басалаев, С.В. Голдаев, Н.П. Минькова, С.Н. Поленчук. Заявл. 29.03.2006; опубл. 27.05.2009. Бюл. №15.
3. Дунаевский Я.И. Снятие судов с мели. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во «Транспорт», 1984. С. 141.
4. Гольдин Э.Р. Подводно-технические работы (технология и средства механизации). - М.: Транспорт, 1987. - С. 205.