СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СЖИГАНИЕМ УНИТАРНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ И ГАЗОГЕНЕРАТОР
CONTROL METHOD OF SOLID MONOFUEL FIRING IN LIQUID MEDIUM, AND GAS GENERATOR

Изобретение относится к области ракетной техники, а более конкретно к области регулирования твердотопливных газогенерирующих систем, которые могут быть использованы в других отраслях народного хозяйства, где требуется производство газов под давлением, а именно: подводно-технические работы, судоподъем, испытание трубопроводов, пожарное дело и др.
Известен способ подводного сжигания унитарного твердого топлива, описанный в монографии [1]. Известный способ заключается в том, что твердотопливную шашку предварительно покрывают прочным бронирующим составом по боковой поверхности и верхнему торцу, а зону локального горения образуют на нижнем торце в виде полости в топливе, в которую устанавливают спираль накаливания и подают на нее напряжение. При этом для повышения устойчивости горения твердотопливную шашку могут устанавливать на открытую снизу обечайку, высоту которой выбирают больше радиуса твердотопливной шашки. Горение распространяется снизу вверх, причем средством локализации зоны горения служат сама твердотопливная шашка и бронирующее покрытие.
Недостатком известного способа является необходимость нанесения прочного бронирующего состава на твердотопливную шашку и выполнение в ней воспламенительной полости, что приводит в итоге к удорожанию в несколько раз получения рабочего тела.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ подводного сжигания унитарного твердого топлива, изложенный в заявке на изобретение [2]. Данный способ заключается в том, что топливо используют в виде цилиндрической шашки, которую устанавливают в жидкой среде преимущественно в вертикальном положении с закреплением шашки в нижней части и осуществляют зажигание, например, при помощи контактирующего с топливом электровоспламенителя, который устанавливают на верхнем торце шашки и закрывают его термостойким стаканом в перевернутом положении с охватом верхней части шашки, причем термостойкий стакан выбирают с отрицательной плавучестью, превышающей в процессе горения сумму сил, включающую положительную плавучесть газового объема стакана и реактивную силу истекающих через зазор продуктов горения.
Недостатком взятого за прототип способа является практическое постоянство интенсивности сжигания, в процессе которого газоприход не подвергается управлению. Кроме того, в способе не предусмотрено прерывание горения топлива и его повторное зажигание.
Известен твердотопливный газогенератор для подводного использования [3], содержащий твердотопливную шашку с глухой полостью в ее нижней части, в которой установлен воспламенитель. Шашка полностью охвачена открытой снизу камерой с примыкающим к ней буферным объемом. В подводном положении свободный объем камеры может быть полностью заполнен водой, которая после зажигания топлива в глухой полости вытесняется всплывающими продуктами горения. Затем горение распространяется по всей поверхности шашки, и в дальнейшем происходит истечение продуктов горения в окружающую воду через буферный объем.
Недостатком известного газогенератора является то, что в нем не предусмотрена возможность управления темпом газообразования, включая прерывание горения и повторное воспламенение.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту представляется РДТТ с гидравлическим регулированием модуля тяги, достигаемого за счет управления темпом газообразования при сжигании твердого унитарного (ракетного) топлива [4]. Известное газогенерирующее устройство содержит камеру сгорания с соплом и скрепленный с корпусом камеры блок твердого ракетного топлива и воспламенитель. В топливном блоке выполнен сквозной продольный канал (таких каналов может быть несколько), 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. За счет этого торцевая поверхность горения превращается в коническую, что приводит к увеличению массовой скорости газообразования. 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.
Ставилась задача расширения диапазона регулирования газоприхода при подводном горении и обеспечение прерывания процесса газообразования с возможностью повторного зажигания цилиндрического блока унитарного твердого топлива.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе сжигания унитарного твердого топлива в жидкой среде, включающем размещение цилиндрической шашки топлива в жидкости преимущественно в вертикальном положении и локализацию зоны предполагаемого горения на верхнем торце перед зажиганием путем использования в перевернутом положении термостойкого стакана, охватывающего верхнюю часть шашки, донную часть термостойкого стакана нагревают до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива, и затем, в течение всего процесса сжигания, поддерживают эту температуру не понижающейся, а после зажигания топлива по верхнему торцу осуществляют принудительное движение термостойкого стакана вниз, при этом для прекращения горения термостойкий стакан останавливают или отводят вверх, причем смену режимов зажигания, горения и погасания проводят многократно с произвольными промежутками времени. Скорость движения термостойкого стакана выбирают исходя из неравенства
1
сж
ν
0<U≤U[(P+σ)/98100],
где U - скорость движения термостойкого стакана, мм/с;
1
U - скорость горения топлива при атмосферном давлении, мм/с;
Р - гидростатическое давление в окрестности зоны горения, Па;
сж
σ - допускаемое напряжение сжатия твердого топлива, Па;
ν - показатель степени в зоне горения, б/р;
98100 - нормирующий множитель, Па.
Нагревание донной части термостойкого стакана до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива, и затем поддержание этой температуры не понижающейся в течение всего процесса сжигания дает возможность обеспечить не только первичный запуск, но и многократное повторное зажигание топлива после каждого прерывания горения. Осуществление принудительного движения термостойкого стакана вниз после зажигания топлива по верхнему торцу дает возможность регулировать темп газоприхода, а остановка или отвод вверх термостойкого стакана обеспечивает прекращение горения. Совокупность указанных признаков дает возможность смену режимов зажигания, горения и погасания проводить многократно с произвольными промежутками времени. Приведенное неравенство позволяет определить допустимую скорость движения термостойкого стакана и указать, тем самым, оптимальный диапазон реализуемости способа.
Задача решается также и тем, что в известном газогенераторе, содержащем камеру сгорания, цилиндрическую шашку унитарного твердого топлива и состоящее из электрического нагревателя средство воспламенения, камера сгорания заполнена жидкостью, например водой, с образованием газовой подушки, а 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 может быть расположено на верхней части камеры и состоять из пустотелой вертикальной колонны, содержащей винтовую пару, связанную со штоком, проходящим через предусмотренное в верхней части камеры отверстие с герметично-подвижным уплотнением.
Заполнение камеры сгорания жидкостью, например водой, и размещение твердотопливной шашки непосредственно в жидкости с полным погружением и установление на верхнем торце твердотопливной шашки локализатора зоны горения в виде перевернутого термостойкого стакана с возможностью возвратно-поступательного движения, днище которого снабжено электрическим нагревателем и связано со штоком средства управления, дает возможность реализовать предлагаемый способ управляемого сжигания унитарного твердого топлива. Размещение на верхней крышке камеры средства управления, состоящего из пустотелой вертикальной колонны, содержащей винтовую пару, связанную со штоком, проходящим через предусмотренное в верхней части камеры отверстие с герметично-подвижным уплотнением, приводит к упрощению конструкции и позволяет использовать ручной способ управления темпом газообразования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема расположения шашки и термостойкого стакана при первичном зажигании; на фиг.2 изображено положение шашки непосредственно после воспламенения; на фиг.3 представлены положение и форма шашки при подходе к стационарному режиму горения; на фиг.4 изображено положение и форма шашки после перехода от установившегося в режиме горения к режиму с меньшим газоприходом; на фиг.5 изображено положение шашки, в котором происходит самопроизвольное прекращение горения; на фиг.6 приведена форма шашки и положение термостойкого стакана при последующем зажигании топлива; на фиг.7 представлен вид предлагаемого газогенератора в разрезе.
Реализация способа может осуществляться в разнообразных условиях. Наиболее простая его реализация достигается в тех случаях, когда давление получаемых продуктов горения может незначительно превышать давление окружающей жидкости. Такие условия характерны, например, при вытеснении воды из судоподъемных понтонов или при наполнении каких-либо емкостей плавучести. В последнем случае предлагаемые в способе операции с материальными объектами может осуществлять водолаз или подводный аппарат с манипулятором.
В данной заявке в качестве материальных объектов используют топливную шашку 1 и локализатор горения 2 в виде перевернутого стакана, в днище которого установлен нагреватель 3 (фиг.1). Перед сжиганием топливную шашку 1 размещают в жидкости преимущественно в вертикальном положении и на верхнем торце перед зажиганием локализуют зону предполагаемого горения путем использования в перевернутом положении термостойкого стакана 2. Последний устанавливают с охватом его боковыми стенками верхней части шашки, причем жидкость может полностью заполнять и образующийся между стенками и шашкой зазор (фиг.1). Затем донную часть термостойкого стакана 2 с помощью нагревателя 3 нагревают до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива, и в течение всего процесса сжигания поддерживают эту температуру не понижающейся.
Горячее днище термостойкого стакана обеспечивает испарение прилегающей жидкости и последующее зажигание топлива. На верхнем торце топливной шашки 1 возникает прослойка продуктов горения, которые вытесняют остатки жидкости из зазора с образованием свободной поверхности 4 (движение продуктов горения на фиг.2 и на последующих показаны стрелками). Затем продукты горения истекают наружу с последующим всплытием.
После зажигания топлива по верхнему торцу осуществляют принудительное движение термостойкого стакана вниз. При относительно равномерном движении локализатора зоны горения 2 верхняя часть топливной шашки 1 приобретает форму усеченного конуса (фиг.3). В этом случае поверхность горения оказывается несколько возросшей.
Если возросшая поверхность горения оказывается излишней, то движение локализатора зоны горения 2 приостанавливают или отводят несколько назад (фиг.4). Вследствие этого нижняя часть поверхности горения оказывается погруженной в жидкость. Топливо в этом месте гаснет, и газоприход уменьшается.
Для полного прекращения горения термостойкий стакан останавливают или (для более быстрого прерывания горения) отводят вверх. Топливо оказывается полностью окружено жидкостью (фиг.5) и поэтому гаснет.
Для последующего зажигания локализатор зоны горения 2 опускают на верхний торец погашенной топливной шашки (фиг.6), и процесс повторяется.
Поскольку температура днища локализатора горения поддерживается не понижающейся, то смену режимов зажигания, горения и погасания топлива можно проводить многократно с произвольными промежутками времени и в широком диапазоне изменения газоприхода.
сж
сж
Максимальная скорость движения локализатора горения, определяющая наибольший газоприход, ограничена суммой двух составляющих. С одной стороны, это линейная скорость горения, соответствующая давлению окружающей среды, с другой - дополнительное увеличение скорости горения за счет поджатия локализатора зоны горения. В свою очередь, размер поджатия ограничен прочностными характеристиками топливной шашки и не может превышать величину допускаемого напряжения на сжатия унитарного твердого топлива σ. Для малых давлений порядка атмосферного добавка по скорости горения за счет поджатия локализатора горения оказывается существенной. Так, для баллиститных топлив, для которых, как известно, σ=(10…20) МПа, обеспечение предельного поджатия равносильно созданию дополнительного давления над поверхностью горения не менее 10 МПа. А это означает, что скорость горения по отношению к скорости горения при атмосферном давлении возрастет почти на два порядка. При повышенных давлениях роль поджатия существенно меньше. Однако в таких условиях скорость горения и так достаточно высока.
Другой вариант реализации предлагаемого способа заключается в предложении соответствующим образом использовать жидкость в управляемых газогенерирующих устройствах, применяемых в атмосферных условиях.
Газогенератор для реализации предлагаемого способа сжигания унитарного твердого топлива в жидкой среде и управления темпом газообразования (фиг.7) включает в себя цилиндрическую топливную шашку 1, термостойкий стакан (локализатор зоны горения) 2, в днище которого установлен нагреватель в виде спирали накаливания 3.
Перечисленные элементы конструкции полностью погружены в жидкость со свободной поверхностью 4, которая (жидкость) может находиться в свободном состоянии или располагаться в корпусе камеры сгорания 5 с крышкой 6. Последняя через герметизирующие кольца 7 поджата к корпусу болтами (на чертеже показаны только осевые линии 8 для соответствующих отверстий). Во внутренней части днища корпуса 5 предусмотрен стакан 9 для крепления топливной шашки 1. Внешний диаметр стакана 9 должен быть меньше внутреннего диаметра термостойкого стакана 2. На внешней части корпуса 5 предусмотрены выступы 10 для его крепления. В крышке 6 корпуса 5 предусмотрен расходный кран 11 для отвода охлажденных продуктов горения и предохранительный клапан (не показан). Между расходным краном 11 и полостью камеры сгорания может быть установлен фильтр (не показан).
Локализатор зоны горения 2 скреплен со штоком 12, проходящим через предусмотренное в крышке 6 отверстие с герметично-подвижным уплотнением 13. На крышке 6 камеры 5 установлена пустотелая колонна 14, охватывающая с зазором шток 12. Верхняя часть штока 12 имеет резьбовую нарезку, взаимодействующую с фасонной гайкой 15, которая с возможностью вращения закреплена на верхнем торце пустотелой колонны 14 при помощи накидной гайки 16. На фасонной гайке 15 предусмотрены ручки 17 для удобства ее вращения. Шток 12 выполнен пустотелым, и через него проложены провода 18 для электропитания спирали накаливания 3. Вдоль резьбовой нарезки штока 12 выполнен паз, а на верхнем конце внутренней стенки колонны 14 предусмотрен соответствующий выступ с зазором (не показаны). На крышке 6 установлен манометр 19, и могут быть предусмотрены другие регистрирующие устройства (не показаны).
Перед использованием газогенератора производят его сборку в следующем порядке. Шашку 1 устанавливают в стакане 9, и затем свободный объем камеры заполняют водой до полного погружения топлива. При этом верхняя незаполненная часть камеры образует воздушную подушку. После этого камеру сгорания закрывают крышкой 6 таким образом, чтобы локализатор зоны горения охватил верхнюю часть шашки 1. Затем провода 18 подсоединяют к источнику электропитания (не показан).
Работа газогенератора осуществляется следующим образом. При подаче напряжения на спираль накаливания 3 происходит разогрев донной части термостойкого стакана 2, и при достижении температуры выше температуры воспламенения топлива газогенератор готов к работе. Для осуществления процесса сжигания при помощи вращения фасонной гайки 15 локализатор зоны горения 2 прижимают к верхнему торцу шашки 1. После зажигания шашки 1 по верхнему торцу дальнейшее управление сжиганием проводят в соответствии с операциями, изложенными при описании предлагаемого способа. При этом используют винтовую пару штока 12 и фасонной гайки 15 с ручками 17.
Для управления сжиганием топлива возможно использовать эквивалентные варианты конструкции, включающие электрический, гидравлический или другие приводы (в заявке не приведены).
Для обоснования возможности реализуемости предлагаемого способа управляемого сжигания твердого топлива в жидкой среде проводились лабораторные испытания при атмосферном давлении.
Образцы представляли собой цилиндрические шашки баллиститного твердого топлива типа Н диаметром 20 мм. Длина образцов изменялась в пределах 60…120 мм, масса образцов составляла 30…60 г. Образцы располагались в вертикальном положении на специальной подставке и помещались в емкость, заполненную водой. На верхний торец цилиндрической шашки надевался термостойкий стакан (локализатор зоны горения) в перевернутом положении, в днище которого был вмонтирован электронагреватель. Локализатор зоны горения был подвешен на блоке и мог свободно перемещаться в пространстве в вертикальном направлении. Зазор между поверхностью образца и внутренней поверхностью стакана составлял (1…2) мм и в первоначальном положении специально заполнялся жидкостью.
После подачи напряжения осуществлялось воспламенение торцевой поверхности образца. Ток, обеспечивающий зажигание образца, составлял (5…6) А при мощности 350 Вт, а время воспламенения находилось в пределах (10…20) с. После выхода на стационарный режим локализатор зоны горения отводился вверх, и горение прекращалось в течение долей секунды. Через некоторое время локализатор снова опускался на топливную шашку, и через (10…20) с горение возобновлялось. Прерывание горения проводилось до 6 раз с промежутками времени до нескольких минут. Суммарное время горения (без учета перерывов) в зависимости от длины образцов изменялось в пределах (24…120) с. Это время практически соответствовало скорости горения использованного топлива при атмосферном давлении (поджатие было незначительным, поскольку оно определялось только весом локализатора зоны горения).
Результаты испытаний показали, что предложенный способ управляемого сжигания унитарного твердого топлива и газогенератор обеспечивают надежное воспламенение, стабильное горение, надежное прерывание горения и последующее повторное (с возможностью многократного повторения) зажигание.
Данный способ сжигания может быть использован при работах, связанных с подъемом затонувших объектов с разных глубин, а соответствующий газогенератор может быть полезным при работах и на дневной поверхности, где требуется использование газов при повышенных давлениях и при регулируемых расходах.
Данная заявка на изобретение подготовлена при поддержке РФФИ ФОИН, номер проекта 05-08-12180-а.
Источники информации
1. Барсуков В.Д., Голдаев С.В. Подводное зажигание и горение унитарных твердых топлив. Теория, эксперимент, технические приложения. Томск: Изд. Том. ун-та, 2003. С.52-54, 57.
2. Заявка №2006101411/06(001519) РФ, МКИ5 F02K 9/08, 9/95; МКИ4 B01J 7/02. Способ сжигания унитарного твердого топлива в жидкой среде. / В.Д.Барсуков, С.В.Голдаев, Н.П.Минькова, С.Н.Поленчук. Заявл. 18.01.2006. Уведомл. о положит. результ. форм. экспертизы 09.02.2006.
3. Пат. 2100065 РФ, МКИ6 B01J 7/00, F02K 9/10, В63В 22/08. Твердотопливный газогенератор для подводного использования. / В.Д.Барсуков, С.В.Голдаев, Е.В.Муленок. Заявл. 27.01.95. Опубл. 27.12.97, Бюл. №36. 5 с.
4. Петренко В.И и др. РДТТ с регулируемым модулем тяги. Миасс: Изд. ГРЦ им. акад. В.П.Макеева, 1994. С.97