Манометрическая бомба высокого давления
HIGH PRESSURE MANOMETRIC BOMB

Изобретение относится к измерительной технике: к приборам, предназначенным для исследования закономерностей горения порохов и твердых топлив в условиях возрастающего давления (при постоянном объеме) и повышенной температуры.
Создание термостойких смесевых твердых топлив (тсТТ) является важной задачей для оборонной промышленности: при разработке образцов вооружения боевой авиации (скорость полета 2,5…3,5 М), работающих в условиях кинетического нагрева до 200…300°С и выше. Широкое применение нашли такие топлива в других областях промышленности: геологоразведке, освоении космоса (в грунтозаборных устройствах). Востребованы они и в нефтедобывающей промышленности для снаряжения скважинных аппаратов (генераторов и аккумуляторов давления, перфораторов, пакеров, запирающих скважину устройств).
Актуальность поставленной задачи обусловлена необходимостью измерения скорости горения тсТТ и порохов (именуемых далее - образцы), применяемых для аккумуляторов давления глубоких и сверхглубоких нефтеносных скважин, твердотопливных устройств глубоководных морских агрегатов, ствольных систем гражданского и оборонного назначений и других аппаратов,
работающих при высоких давлениях (десятки - сотни мегапаскалей) и температурах (сотни градусов).
Широкая номенклатура тсТТ для скважинных аппаратов обеспечивает комплексный подход в деле повышения эффективности скважин, сочетающий в себе термическое, барическое, газодинамическое воздействия на призабойную зону нефтеносного пласта.
Известны устройства для исследования и экспериментально-расчетного определения закономерностей горения твердых топлив и порохов при высоком переменном давлении: манометрические бомбы (сосуды).
Манометрическая бомба, описанная в книге Внутренняя баллистика. М., Оборонгиз, 1949, стр. 43-46, 105-113, М.Е. Серебряков, представляет собой цилиндрический толстостенный стальной корпус с двумя резьбовыми отверстиями, закрытыми запальной и измерительной пробками, с уплотнительными резиновыми и распорными стальными плоскими кольцами.
Для создания заданного давления в корпус бомбы помещен малогабаритный пороховой тонкосводный образец и воспламенитель, подсоединенный к запальной пробке с помощью изолированного электроввода и контактному штифту, размещенному на той же пробке. В другую (измерительную) пробку установлен датчик давления.
Манометрическая бомба высокого давления по патенту на изобретение №22 36 003, опубл. 10.09.2004 Бюл. №25, содержит корпус, выполненный из двух цилиндров, с определенным натягом вставленных один в другой, воспламенительную и измерительную крышки, дополнительно снабженные соответствующими проставками, навеску пороха и воспламенитель, размещенные во внутренней полости бомбы. Воспламенительная проставка снабжена устройством для выпуска газов после сжигания порохового образца, состоящим из стального шарика, подпружиненного винта, прижимающего последний к седлу и ворота с тросом для дистанционного управления выпуском.
Благодаря выполнению корпуса из двух с натягом вставленных один в другой цилиндров значительно повышено (до 1100 МПа) максимальное давление бомбы, измеряемое датчиком, установленным в измерительную проставку.
Такой уровень давления манометрической бомбы положительно характеризует ее среди других сосудов постоянного объема.
Установка по указанному патенту принята за прототип.
Недостатками манометрической бомбы-прототипа являются следующие:
- опасность сборки при применении образцов в горячем состоянии (сотни градусов);
- низкая производительность снаряжения вследствие термостатирования образцов в течение нескольких часов;
- пониженная точность определения скорости горения из-за отличия фактической температуры образца от заданной при транспортировании его из термокамеры, размещенной в отдельном здании.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является комплексное определение скорости горения тонкосводных образцов тсТТ при высоких температуре и давлении с заданной точностью, повышение производительности и безопасности снаряжения за счет размещения нагревательного узла в манометрической бомбе при комнатной температуре образца.
Технический результат достигается тем, что манометрическая бомба высокого давления, содержащая корпус, выполненный из двух цилиндров, с натягом вставленных один в другой, воспламенительную проставку с вмонтированным в нее изолированным электровводом, проставку замера давления, снабжена нагревательным узлом, выполненным в виде пенала с электроспиралью накаливания, один конец которой соединен с изолированным электровводом, расположенным в центральной части нагревательной проставки, второй конец ее присоединен к штифту, закрепленному в той же проставке; при этом электроспираль изолирована от корпуса и пенала чехлами из стеклоткани, пенал закрыт фторопластовым диском, через отверстия в котором пропущены концы электроспирали; а в цилиндрической части корпуса укреплен резьбовой штуцер с установленным в нем датчиком измерения давления газов.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг. 1 схематически показана манометрическая бомба для комплексного измерения скорости горения образцов тсТТ при высоких температуре и давлении.
На фиг. 2 представлена зависимость температура - время, полученная при тарировании нагревательной электроспирали при последовательной подаче напряжения: 24 вольта - 1 участок, 30 вольт - 2 участок, 36 вольт - 3 участок зависимости.
1 - персональный компьютер; 2 - преобразователь сигнала; 3 - воспламенительная проставка; 4 - чехлы; 5 - электроспираль; 6 - пенал; 7 - нагревательный узел; 8 - диск; 9 - штифты; 10 - электроввод; 11 - автотрансформатор; 12 - нагревательная проставка; 13 - корпус; 14 - штуцер; 15 - датчик давления.
Манометрическая бомба высокого давления содержит корпус 13, выполненный из двух цилиндров, с натягом вставленных один в другой, воспламенительную проставку 3, нагревательный узел 7, который выполнен в виде электроспирали 5, соединенной одним концом с изолированным электровводом 10 нагревательной проставки 12, второй конец - со штифтом 9 той же проставки. Электроспираль расположена между чехлами 4 из стеклоткани и помещена на металлический пенал 6 с фторопластовым диском 8. В полость пенала 6 помещен образец и воспламенитель. В цилиндрическую часть корпуса ввинчен резьбовой штуцер 14 и установлен датчик давления 15.
Электроспираль 5 соединяется с автотрансформатором 11 через нагревательную проставку 12. При нагревании образца на электроспираль 5 последовательно подается переменное напряжение 24, 30 и 36 вольт.
Система регистрации давления включает в себя датчик 15, например, тензометрического типа, преобразователь сигнала 2 и персональный компьютер 1.
Предлагаемое изобретение позволяет проводить испытания по определению скорости горения тсТТ с нагреванием образца непосредственно в корпусе манометрической бомбы, например, до 300°С и выше, в условиях высокого давления.
При подготовке к испытаниям необходимо обеспечить прогрев испытываемого образца до заданной температуры. В целях определения температурно-временных условии проводится тарирование нагревательного узла 7. Для этого используются хромель-алюмелевая термопара и милливольтметр.
Перед тарированием в нагревательный узел 7 помещают образец и термопару. Затем нагревательный узел помещают в корпус 13 манометрической бомбы. При этом воспламенительная проставка 3 не устанавливается, через образовавшееся отверстие выводятся проводники термопары, отверстие закрывается асбестом, после чего на нагревательную проставку 12 подается электроток.
Для равномерного прогрева образца проводится ступенчатое повышение напряжения в цепи: 24, 30 и 36 вольт в течение, например, 15, 9 и 6 минут, соответственно, для заданной температуры. При тарировании устанавливается зависимость температуры образца от времени прогрева. По полученным данным строится тарировочный график, примерный вид которого показан на фиг. 2. После тарирования термопара извлекается.
Манометрическая бомба работает следующим образом. В нагревательный узел 7 помещается образец тсТТ (для исключения возможного влияния вторичного нагревания на свойства топлива), который устанавливается в корпус 13 манометрической бомбы. Затем проводится полная сборка бомбы, после чего на электроспираль 5 нагревательного узла подается напряжение и осуществляется нагревание образца.
По истечении времени, определяемого для заданной температуры по тарировочному графику, на линию воспламенения проставки 3 подается ток, в результате чего происходит срабатывание воспламенителя и сгорание образца, нагретого до заданной температуры.
В процессе манометрического испытания измеряется изменение возрастающего во времени давления при помощи датчика 15, закрепленного в цилиндрической части корпуса 13, с последующей известной обработкой полученных измерений.
Таким образом, установление нагревательного узла, выполненного в виде пенала с электроспиралью накаливания, с помещенным образцом комнатной температуры в корпус манометрической бомбы высокого давления позволило комплексно измерять скорость горения тонкосводных образцов тсТТ с заданной точностью при высоких температуре и давлении, благодаря чему позволило повысить безопасность снаряжения и производительность работ.
Испытания предлагаемого изобретения в условиях опытного полузаводского производства АО «НИИПМ» подтвердили его эффективность.