УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВОЗГОРАНИЕ В СРЕДЕ ГАЗООБРАЗНОГО ОКИСЛИТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ЧАСТИЦЫ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR INVESTIGATION OF STRUCTURAL MATERIALS FOR IGNITION IN MEDIUM OF GASEOUS OXIDANT, CONTAINING PARTICLES OF VARIOUS MATERIALS (VERSIONS)

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам и способам исследования образцов конструкционных материалов в потоке газообразного окислителя при различных давлениях и температурах с моделированием натурных условий эксплуатации, например, в ЖРД.
Вопросы надежности агрегатов ТНА ЖРД в значительной степени связаны с решением проблемы стойкости к возгоранию конструкционных материалов (КМ) в потоке газообразного окислителя в широком диапазоне температур и давлений. Рассматриваемая проблема решается детальным изучением закономерностей развития процессов зажигания и горения КМ в потоке окислителя при высоких давлениях и температурах, существенно более низких, чем температура самовоспламенения КМ, что достаточно сложно и требует больших материальных затрат.
Особое внимание исследователей и специалистов отрасли ЖРД-строения уделяется изучению механизмов инициирования зажигания, связанных с локальным разогревом КМ до температур, близких к температурам самовоспламенения, составляющих 1200-1700°C. В связи с этим важное значение приобретают установки, позволяющие целенаправленно изучать воздействие конкретного инициатора. Изучение воздействия известных инициаторов зажигания: металлические частицы, накопление органических веществ, трение перемещающихся относительно друг друга элементов конструкции недопустимо при доводочных испытаниях ЖРД. В настоящее время известно, что инициирование зажигания КМ в окислительном газовом тракте ЖРД может происходить от воздействия металлических частиц при температуре газа (КМ) свыше 400°C.
В известных устройствах [1, 2] использованы модельные способы инициирования зажигания, имитирующие воздействие известных инициаторов зажигания КМ.
Так, например, для определения энергии зажигания материалов в [1] используется воздействие механического удара в жидком кислороде. Зажигание образца в этом устройстве определяется теплотой, пропорциональной кинетической энергии падающего груза.
В устройстве, защищенном патентом [2], горение материалов в среде жидкого или газообразного окислителя при различных давлениях (до 10-12 МПа) инициируется теплотой, выделяющейся при протекании электрического тока по стальной проволоке (образцу) диаметром 3-6 мм и диной до 130 мм.
Известна установка для испытаний образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации, защищенная патентом [3]. В данной установке моделируются натурные условия взаимодействия элементов реальных конструкций, в которых инициирование зажигания происходит из-за разогрева КМ трением.
Устройств, моделирующих инициирование зажигания металлическими частицами, переносимыми окислительным газом, а также эрозионное воздействие при разогреве КМ, авторами не обнаружено.
С учетом вышесказанного очевидно, что устройства из работ [1, 2, 3] не могут рассматриваться как прототипы для предлагаемого изобретения.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства, которое позволит проводить испытания моделей элементов реальных конструкций с инициаторами зажигания (частицами), переносимыми потоком окислительного газа.
Конечная цель изобретения состоит в следующем:
- получение экспериментальных данных по допустимым параметрам инициаторов зажигания, при которых не происходит зажигание КМ, находящегося в потоке окислительного газа при постоянных температуре, скорости и давлении;
- определение критических воздействий частиц различных материалов, при которых происходит зажигание КМ, путем последовательного (ступенчатого) изменения параметров, например, температуры, скорости и давления потока окислительного газа в ходе одного или серии экспериментов.
Совокупность таких данных позволяет определить область параметров частиц, воздействие которых допустимо (безопасно), и область критических параметров, в которой воздействие инициатора (частиц) приводит к зажиганию и горению КМ. Массивы таких данных позволяют разрабатывать рекомендации по защите КМ от воздействия частиц, переносимых потоком газа.
Для исследования образцов конструкционных материалов (КМ) на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, предлагается два варианта устройств. Оба варианта устройств состоят из соосно и последовательно расположенных газогенератора, снабженного смесительной головкой и узлами подачи горючего и окислителя, структуроформирующего переходника, рабочей части, содержащей исследуемый образец и снабженной соплом, а так же измерителя светимости продуктов сгорания конструкционных материалов. При этом в первом варианте конструкции структуроформирующий переходник снабжен одним или более рядами тангенциальных отверстий, а газогенератор кроме основного узла подачи окислителя снабжен узлом подачи дополнительного расхода окислителя, на котором установлено трехпозиционное приспособление для порционной подачи частиц различных материалов. В этом случае моделируется генерация частиц в баке и в турбонасосном агрегате (ТНА). Во втором варианте конструкции приспособление для порционной подачи частиц расположено перед структуроформирующим переходником, имеющим осевое отверстие. В этом случае моделируется генерация частиц в объеме магистрали окислителя и газогенератора.
Σч
ч
В предлагаемых устройствах поток газообразного окислителя различной температуры при давлении свыше 100 атм переносит к исследуемому образцу порцию частиц различных материалов. Перед рабочей частью с исследуемым образцом с помощью специального структуроформирующего переходника газовый поток с частицами переформируется таким образом, чтобы частицы попадали непосредственно на поверхность образца. Конфигурация переходника и самих образцов и их положение в рабочей части установки выбраны таким образом, чтобы обеспечить по возможности наибольшую плотность потока частиц на поверхности образцов. Реализуемые в устройствах способы исследования условий зажигания КМ частицами различных материалов основаны на использовании порционного и, следовательно, контролируемого ввода определенного количества частиц, характеризуемых их суммарной массой, называемой навеской частиц - m, заданного размера - d, который определяется размером ячейки сетчатого фильтра, через который просеяны эти частицы. Масса навески частиц определяет предельное количество теплоты, которое может воздействовать локально на поверхность КМ при их полном сгорании:
Σч
Q= m·ΔH,
где ΔH - энтальпия образования окислов материала частиц.
ч
Размер d определяет минимальное локальное тепловое воздействие частиц в предположении об их полном сгорании на поверхности КМ.
В устройстве, выполненном по первому варианту, реализуется механизм инициирования зажигания конструкционного материала перемещаемым потоком окислительного газа инициаторами зажигания (частицами) из различных материалов при температуре КМ и газа от 300 до 900°C, имеющий место в окислительных трактах ЖРД, при этом конструктивно (с помощью структуроформирующего переходника и конфигурации образца) создаются такие условия взаимодействия частиц с поверхностью КМ образца, при которых частицы разогреваются до температуры самовоспламенения и самовоспламеняются непосредственно на этой поверхности. Теплота сгорающих частиц, движущихся по поверхности, локально разогревает КМ. Локальный разогрев при допустимом сочетании параметров инициатора, потока окислителя и теплофизических свойств КМ не приводит к зажиганию, а при критичном сочетании параметров инициатора, потока окислителя и теплофизических свойств КМ приводит к самовоспламенению и горению частиц, а затем к зажиганию и возможному последующему горению КМ.
В устройстве по варианту 2 реализуется другой механизм воздействия частиц на поверхность образца - эрозия при разогреве КМ, также рассматриваемый в ЖРД-строении. Здесь конфигурация структуроформирующего переходника служит для увеличения скорости газа и частиц. Положение исследуемого образца в рабочей части устройства (под углом 20-60° к оси устройства) обеспечивает различную плотность потока частиц на поверхности образца и, следовательно, различную интенсивность эрозионного воздействия частиц.
Зажигание образцов фиксируется с помощью измерителя светимости продуктов сгорания, регистрирующего время свечения при зажигании и горении образцов и (или) частиц. В отдельных случаях факт зажигания образцов может фиксироваться визуально.
Получаемые таким образом данные позволяют экспериментально определять допустимые и критичные сочетания параметров инициаторов зажигания (частиц различных материалов), потока окислителя и теплофизических свойств КМ.
Суть изобретения поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 - схема устройства по варианту 1.
Фиг.2 - схема установки по варианту 2.
Фиг.3 - фотография образца после испытаний на установке, выполненной по варианту 1 (вид на образец со стороны выхода потока генераторного газа с частицами).
Σч
Фиг.4 - пример экспериментального определения допустимых и критичных параметров инициаторов зажигания при изменении температуры генераторного газа (КМ) и массы навески частиц (m).
Устройство (по варианту 1) для исследования образцов КМ на возгорание в потоке газообразного окислителя, содержащего частицы различных материалов, включает газогенератор 1 со смесительной головкой 2 (фиг.1). Смесительная головка имеет узлы подвода: горючего 3, основного расхода окислителя 4 и дополнительного расхода окислителя 5. В центре рабочего канала 6 газогенератора располагается сбросное кольцо 7. К узлу подвода дополнительного расхода окислителя 5 присоединено трехпозиционное приспособление для порционной подачи частиц 8. К выходной части рабочего канала 6 газогенератора пристыковывается структуроформирующий переходник 9, который снабжен одним или более рядами тангенциальных отверстий 10. Переходник соединен с рабочей частью 11, в которой расположен исследуемый образец 12. Рабочая часть снабжена соплом 13.
В устройстве по варианту 1 механизм инициирования зажигания конструкционного материала перемещаемыми потоком окислительного газа инициаторами зажигания (частицами) из различных материалов реализуется следующим образом.
гг
гг
Для получения газообразного окислителя заданной температуры Т в диапазоне значений 300-900°C в смесительную головку газогенератора через узлы подвода 4, 5 и 3 подаются последовательно окислитель, а затем горючее. В рабочем канале 6 газогенератора происходит воспламенение и горение компонентов с избытком окислителя. Температура окислительного газа Т определяется заданным соотношением компонентов топлива. В ходе испытания ступенчато изменяется температура окислительного газа. По достижению заданной температуры окислительного газа, которая выдерживается постоянной в течение заданного времени, с помощью приспособления 8 подается одна из 3-х навесок частиц. Поток окислительного газа с частицами проходит через структуроформирующий переходник 9. Размер и количество тангенциальных отверстий 10 определяется расходом окислительного газа. Конфигурация переходника и образца определяет плотность потока частиц и структуру потока газа (соотношение между осевой и тангенциальной составляющими скорости). Благодаря тангенциальной составляющей скорости частицы сепарируются на поверхность исследуемого образца 12. Взаимодействие частиц с поверхностью исследуемого образца конструкционного материала может приводить, при определенных условиях, к зажиганию и горению образца. Воспламенение и горение частиц или частиц и образца фиксируется измерителем светимости 14 продуктов сгорания конструкционных материалов.
Устройство (вариант 2) конструктивно отличается местоположением приспособления для подачи частиц 8 на установке, а именно на газогенераторе 1 за сбросным кольцом 7, конфигурацией структуроформирующего переходника 9 и исследуемого образца 12 (фиг.2). Образец в рабочей части 11 может устанавливаться под различными углами к оси для обеспечения различного по интенсивности эрозионного воздействия частиц. Структуроформирующий переходник 9 по сути является устройством для увеличения скорости газа и частиц, что достигается увеличением длины цилиндрического участка переходника.
гг
В устройстве (вариант 2) реализуется другой механизм воздействия частиц на поверхность образца, а именно - эрозия при разогреве КМ, роль которой также существенна. При этом последовательность действий при исследовании не отличается от описанного выше, за исключением того, что устройство для подачи частиц здесь - однопозиционное и, следовательно, в ходе одного испытания можно реализовать только один режим по температуре окислительного газа (Т).
На фиг.3 представлен один из характерных примеров состояния исследуемого образца конструкционного материала после воздействия рассматриваемого инициатора - металлических частиц, которое является, как было сказано выше, обоснованием исследования зажигания металлическими частицами, перемещаемыми потоком окислительного газа.
Σч
Σч
ГГ
Σч
Для построения областей допустимых и критичных параметров частиц необходимо проведение достаточного количества испытаний. Например, на фиг.4 показаны результаты по определению допустимых и критичных параметров металлических частиц при воздействии на образец из никелевого сплава, широко используемого в двигателестроении. На фиг.1 в области А воздействие (допустимое) навески частиц массой m не приводит к зажиганию и горению KM, a в области Б воздействие (критичное) навески частиц массой m приводит к зажиганию КМ. Граница зажигания: Т=ƒ(m) отделяет область допустимых и критичных значений температур генераторного газа и устанавливает соответствие максимальных допустимых значений температуры генераторного газа (КМ) и массы навески частиц.
гг
Σч
Данные получены с помощью экспериментальной установки, созданной в соответствии со схемой устройства по варианту 1 в ФГУП «Центр Келдыша». В качестве определяющих параметров выбраны температура окислительного газа и масса навески частиц. При этом давление и скорость потока газа в эксперименте практически не изменялись. Размер частиц также не изменялся. На фиг.4 представлены результаты ряда испытаний. Треугольниками обозначены параметры (значения температуры потока Т и массы поданной навески - m), при которых не произошло зажигание, а квадратами со значком молнии, при которых произошло зажигание и горение образца. Для получения достоверных данных необходимо провести не менее 5 серий испытаний с 1-3 подачами частиц. Для методической корректности используются результаты испытаний, так называемого, эталонного образца, воспроизводимость которых подтверждает достоверность получаемых на установке данных.
1. Иванов Б.А., Розовский А.С. «Безопасность работы с жидким кислородом», 1989.
2. Иванов Б.А., Мелихов А.С., Розовский А.С. «Физика горения и взрыва», 1972, N 4, с.253-257.
3. Патент RU 2166187 «Установка для испытаний образцов материалов и элементов конструкций в среде жидкого или газообразного кислорода с моделированием натурных условий эксплуатации».