ОРОСИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ОТКРЫТОГО ТИПА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ ИСПЫТАНИИ ИЛИ ЛИКВИДАЦИИ СЖИГАНИЕМ ЗАРЯДА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
IRRIGATION PLANT OF OPEN TYPE FOR COOLING AND LOCALISATION OF COMBUSTION PRODUCTS AT TESTING OR ELIMINATION BY COMBUSTION OF ROCKET ENGINE CHARGE ON SOLID FUEL

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к оросительной установке открытого типа, устанавливаемой на пути движения продуктов сгорания, для их охлаждения и локализации при горизонтальном расположении ракетного двигателя на твердом топливе, и может быть использовано как при испытании, так и при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе.
Известно устройство для снижения давления и охлаждения продуктов сгорания в газоходе при ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе по патенту РФ №2341730 (опубл. 20.12.08 г.), содержащее систему подачи воды с элементами, рассредоточенно подающими воду по ходу движения продуктов сгорания, и конструктивные элементы, обеспечивающие контакт продуктов сгорания с воздухом из атмосферы при горизонтальном расположении ракетного двигателя.
Недостатками известного технического решения являются: подача воды в продукты сгорания организована только сверху через распылительные форсунки, формирующие мелкодисперсные потоки воды, которые не способны глубоко проникнуть в струю продуктов сгорания, что препятствует безусловному их охлаждению и торможению струи; присутствует необходимость оснащения устройства переходной стыковочной секцией для организации в месте ее соединения с концевой секцией камеры локализации и охлаждения открытой поверхности для снижения избыточного давления и охлаждения продуктов сгорания эжектируемым воздухом из атмосферы, что придает дополнительную громоздкость и материалоемкость устройству, снижает экономическую привлекательность; кроме того, в силу конструктивных особенностей (в частности, ограниченная площадь открытой поверхности, сообщающейся с атмосферой, которой может быть недостаточно для предотвращения аварийной ситуации) известное устройство предназначено только для ликвидации заряда ракетного двигателя на твердом топливе, что снижает его эксплуатационные возможности и удобства. При этом следует отметить, что известное техническое решение не позволяет организовать встречную подачу воды, т.к. возможно запирание потока продуктов сгорания в камере локализации и охлаждения, и движение их в обратном направлении к двигателю со всеми вытекающими последствиями.
Известна оросительная система экологической защиты при сжигании изделий (Высоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: Тезисы II Международной конференции "HEMs-2006" 11-14 сентября 2006.(г.Белокуриха). - М.: ЦНИИХМ. - с.39), принятая за прототип, содержащая группу соосно установленных на одинаковом расстоянии друг от друга кольцеобразных трубчатых коллекторов с изменяемым в сторону увеличения по длине струи продуктов сгорания радиусом, в каждом из которых выполнены равномерно размещенные отверстия, ориентированные на подачу воды в перпендикулярном оси струи направлении, обеспечивающие одинаковый для всех коллекторов секундный расход воды.
Известная установка предусматривает подачу воды в перпендикулярном оси струи направлении со всех сторон, что позволяет воде достаточно глубоко проникнуть в струю продуктов сгорания, снизить их температуру и затормозить поток при ликвидации ракетного двигателя на твердом топливе. Но при проведении испытаний или ликвидации крупногабаритного ракетного двигателя на твердом топливе известная установка не позволяет полностью обеспечить охлаждение и торможение потока продуктов сгорания, обеспечить осаждение вредных веществ из потока в непосредственной близости от места расположения установки, что снижает эффективность ее применения, эксплуатационные возможности и удобства, повышает экологические риски.
Задачей заявляемого технического решения является разработка оросительной установки открытого типа для охлаждения и локализации продуктов сгорания при испытании или ликвидации сжиганием заряда ракетного двигателя на твердом топливе, позволяющей повысить эффективность ее использования, расширить эксплуатационные возможности и удобства, повысить интенсивность взаимодействия продуктов сгорания с водой, обеспечить при этом высокие экологические требования за счет создания условий по организации дифференцированной подачи воды, в соответствии с существующей потребностью как по направлению, так и по секундному расходу на всем протяжении струи продуктов сгорания при одновременном исключении возможности запирания потока продуктов сгорания.
Поставленная задача решается оросительной установкой открытого типа для охлаждения и локализации продуктов сгорания при испытании или ликвидации сжиганием заряда ракетного двигателя на твердом топливе, содержащая группу соосно установленных на одинаковом расстоянии друг от друга кольцеобразных трубчатых коллекторов с изменяемым в сторону увеличения по длине струи продуктов сгорания радиусом, в каждом из которых выполнены равномерно размещенные отверстия, ориентированные на подачу воды в перпендикулярном оси струи продуктов сгорания направлении, обеспечивающие одинаковый для всех коллекторов секундный расход воды. Особенность заключается в том, что установка снабжена последовательно установленными второй и третьей группами кольцеобразных трубчатых коллекторов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, каждая из которых выполнена из коллекторов с радиусом, изменяемым по длине струи продуктов сгорания в сторону уменьшения, при этом равномерно распределенные отверстия в каждом из коллекторов ориентированы на подачу воды навстречу движения струи продуктов сгорания с обеспечением одинакового или изменяющегося заданным образом секундного расхода воды через коллекторы каждой дополнительной группы.
Проведенный анализ уровня техники показывает, что оросительная установка отличается от ближайшего аналога наличием дополнительных групп коллекторов, не совпадающих по конфигурации с первой группой, с радиусом изменяемым по длине струи в сторону уменьшения (в прототипе только одна группа коллекторов с радиусом, изменяемым в сторону увеличения); организацией подачи воды по ходу движения продуктов сгорания не только в направлении, перпендикулярном оси струи продуктов сгорания (как в прототипе), но и в направлении навстречу движения струи; возможностью варьирования секундным расходом воды через коллекторы каждой дополнительной группы в соответствии с существующей потребностью.
Именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками позволила получить вышеуказанный технический результат, который невозможно получить при реализации изобретения по прототипу в силу особенностей конструкции известной оросительной установки и решить поставленную задачу.
На Фиг.1 представлена условная схема расположения на стенде предлагаемой оросительной установки при испытании двигателя с соплом, где:
1 - опорная плита; 2 - упорный конус; 3 - ракетный двигатель на твердом топливе; 4 - стапель; 5 - трубопровод, по которому воду под давлением от насоса подают к первой группе кольцеобразных трубчатых коллекторов; 6 - коллекторы первой группы; 7 - трубопровод, по которому воду под давлением от насоса подают ко второй группе кольцеобразных трубчатых коллекторов; 8 - коллекторы второй группы; 9 - трубопровод, по которому воду под давлением от насоса подают к третьей группе кольцеобразных трубчатых коллекторов; 10 - коллекторы третьей группы; 11 - накопительный бассейн для сточных вод; 12 - пол стенда; 13 - сопло ракетного двигателя; 14 - ось симметрии ракетного двигателя, струи продуктов сгорания и кольцеобразных трубчатых коллекторов оросительной установки.
Заявляемое техническое решение реализуют следующим образом. Проводят подготовительные работы для подачи воды в оросительную установку. Устанавливают ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) 3 с упорным конусом 2 на стапель 4 таким образом, что ось симметрии РДТТ 14 совпадает с осью симметрии оросительной установки. Проводят работы по подготовке к инициированию. С помощью насосов (условно не показаны) по трубопроводам 5, 7, 9 подают под давлением воду в коллекторы 6, 8 и 10. Из отверстий в трубчатых коллекторах 6 первой группы вода поступает в направлении, перпендикулярном оси симметрии 14 (показано стрелками на Фиг.1), а из отверстий в трубчатых коллекторах 8 и 10, второй и третьей групп соответственно, вода поступает в направлении, параллельном оси симметрии 14 в сторону выходного сечения сопла 13 (показано стрелками на Фиг.1). Затем осуществляют инициирование заряда РДТТ 3. Продукты сгорания из сопла 13, двигаясь внутри кольцеобразных трубчатых коллекторов 6 первой группы, коллекторов 8 второй и коллекторов 10 третьей групп, перемешиваются с подаваемой водой и порциями воздуха, который подсасывается струей из окружающей среды, в результате чего происходит охлаждение и торможение струи. Вода в виде капель, содержащих газообразные и конденсированные вещества из продуктов сгорания, гравитационным способом осаждается на пол 12 стенда и самотеком попадает в накопительный бассейн 11.
Для улучшения результатов работы оросительной установки целесообразно соблюдать следующие рекомендуемые диапазоны по ее геометрическим размерам, расходу воды через кольцеобразные коллекторы и числу коллекторов разных групп.
Первая группа предпочтительно должна содержать 10-15 коллекторов.
Вторая и третья группы предпочтительно должны содержать 5-7 коллекторов каждая.
Отношение расстояния от выходного сечения ракетного двигателя до ближайшего коллектора первой группы к радиусу выходного сечения ракетного двигателя должно составлять не более 20.
Отношение расстояния от последнего коллектора первой группы до первого коллектора второй группы к радиусу выходного сечения ракетного двигателя должно составлять 15-55.
Отношение расстояния между коллекторами каждой группы к радиусу выходного сечения ракетного двигателя должно составлять 2-6.
Отношение радиусов коллекторов первой группы к радиусу выходного сечения ракетного двигателя должно составлять 4-8 и увеличиваться в направлении движения струи продуктов сгорания.
Отношение радиусов коллекторов второй и третьей групп к радиусу выходного сечения ракетного двигателя должно составлять 0,2-10.
Отношение суммарного секундного расхода воды через коллекторы всей оросительной установки к секундному расходу продуктов сгорания ракетного двигателя должно составлять 4-8.
Между суммарными секундными расходами воды первой, второй и третьей групп коллекторов должно приблизительно поддерживаться соотношение 4/6:1/6:1/6.
Для коллекторов первой группы необходимо обеспечить одинаковый секундный расход воды, подаваемой перпендикулярно к оси симметрии оросительной установки.
Для коллекторов второй и третьей групп необходимо обеспечить одинаковый или изменяющийся заданным образом в пределах длины конкретной группы секундный расход воды, подаваемой навстречу потоку продуктов сгорания параллельно оси симметрии оросительной установки.
Избыточное давление подаваемой насосами воды в трубопроводах должно составлять 0,6-0,9 МПа.
Диаметр и количество отверстий в стенках каждого из кольцеобразных трубчатых коллекторов всех групп, через которые происходит подача воды к струе продуктов сгорания, выбирают так, чтобы обеспечить необходимый секундный расход воды. Отверстия в стенках каждого из коллекторов должны быть расположены таким образом, чтобы обеспечить равномерную подачу воды к струе продуктов сгорания.
Для рассмотрения воплощений заявляемой оросительной установки в условиях проведения испытаний ракетного двигателя на стенде использовались следующие исходные данные:
- по термодинамическим параметрам:
к=1,182 - показатель адиабаты;
µ=29,8 г/моль - молярная масса;
Т=3896 К - изохорическая температура в камере;
Р=9,5 МПа - давление в камере;
- по геометрии выходного блока двигателя:
кр
R=0,116 м - радиус критического сечения сопла;
a
R=0,5 м - радиус выходного сечения сопла.
В расчетах поверхность горения твердотопливного заряда принималась неизменяемой величиной.
Срез сопла (выходное сечение) ракетного двигателя твердого топлива расположен в координате Х=2,4 м.
Рассмотрены 6 конфигураций оросительной установки с соответствующими особенностями подачи воды к струе продуктов сгорания (ПС), результаты расчетов для которых приведены и анализируются ниже.
Пример 1
Схема оросительной установки и данные по расходу воды приведены на Фиг.2. Использованы три группы (далее - каскад) кольцеобразных коллекторов орошения струи ПС водой.
Н2О
Н2О
Первый каскад имеет 13 кольцеобразных коллекторов (далее - колец), радиус которых изменяется от Y=2 до 3,7 м, а расход воды одинаков для каждого кольца. Общая длина первого каскада составляет 23 м. Второй каскад состоит из 6 колец, радиусы которых меняются от Y=5 до Y=0,1 м. Общая длина второго каскада составляет 20 м. Третий каскад представляет собой точную копию второго каскада. В первом каскаде воду из колец подают в направлении, перпендикулярном к продольной оси струи, совпадающей с осью симметрии колец. Во втором и третьем каскадах воду из колец подают навстречу потоку со скоростью U=25-44 м/с, V=0
S
Суммарный расход воды составляет Q=1800 кг/с.
Расход для каждого кольца первого каскада одинаков и равен Q=100 кг/с.
Расход воды для колец второго и третьего каскадов изменяется в сторону уменьшения от Q=70 кг/с до Q=20 кг/с, как показано на Фиг.2.
mах
На Фиг.3 показаны расчетные профили продольной скорости движения струи ПС при Х=120 м в различные моменты времени t работы изделия. Профиль скорости U меняется во времени незначительно. Исключение составляет начальный участок формирования струи при 0<t<20 с. Максимальная продольная скорость достигается вблизи оси струи и составляет около U=14 м/с. Полуширина струи составляет приблизительно Y=13 м.
Сравнение результатов расчетов с другими конфигурациями оросительной установки позволило сделать вывод о том, что данная конфигурация, использующая кольца изменяемого по длине радиуса и подачу воды навстречу потоку, позволяет значительно снизить скорость струи за оросительной установкой, то есть более эффективно затормозить поток на испытательном стенде.
На фиг.4 приведены расчетные зависимости поперечной скорости струи V от координаты X, полученные на расстояниях Y=3,5 и 9,5 м от оси в моменты времени t=20, 30, 70 с. Видно, что наибольшие поперечные скорости, при данной конфигурации оросительной установки наблюдаются только в области выходного сечения сопла, на выходе из первого, второго и третьего каскадов на расстоянии Y=3,5 м от оси струи. Далее вниз по потоку скорости движения струи в радиальном направлении невелики.
Расчетные зависимости распределения температуры Т по радиусу струи ПС, полученные при Х=120 м, приведены на Фиг.5. Использование колец переменного по длине радиуса и подача воды навстречу потоку во втором и третьем каскадах орошения привели к значительному снижению начальной температуры продуктов сгорания за счет перемешивания ПС, воды и окружающего воздуха.
Пример 2
Схема оросительной установки и данные по расходу воды приведены на Фиг.6. Использованы три каскада орошения струи ПС водой.
Н2О
Н2О
Первый каскад имеет 13 колец, радиус которых изменяется от Y=2 до 3,7 м. Общая длина первого каскада составляет 23 м. Второй каскад состоит из 6 колец, радиусы которых меняются от Y=5 до 0.1 м. Третий каскад представляет собой точную копию второго каскада. Длины второго и третьего каскадов составляют 20 м каждый. В первом каскаде воду из колец подают в направлении, перпендикулярном к продольной оси струи, совпадающей с осью симметрии колец. Во втором и третьем каскадах воду из колец подают навстречу потоку со скоростью U=25-44 м/с, V=0.
S
Суммарный расход воды составляет Q=1800 кг/с.
Расход для каждого кольца первого каскада одинаков и равен Q=100 кг/с.
Расход воды для колец второго и третьего каскадов изменяется в сторону увеличения от Q=30 кг/с до Q=50 кг/с, как показано на Фиг.6.
mах
На Фиг.7 показаны расчетные профили продольной скорости движения струи ПС, полученные при Х=120 м в различные моменты времени t работы изделия. В данном случае профиль скорости U во времени меняется сильнее по сравнению с примером 1, но при t>30 с максимальная продольная скорость, достигаемая вблизи оси струи, мало отличается от полученной в примере 1 и составляет около U=14 м/с. Полуширина струи составляет приблизительно Y=3 м. Это позволяет сделать заключение о том, что перераспределение расхода воды внутри второго и третьего каскадов орошения в целом слабо влияет на торможение струи.
Расчетные зависимости распределения температуры Т по радиусу струи ПС при Х=120 м приведены на Фиг.8. В данном случае получено еще большее выравнивание профиля температур по сравнению с примером 1.
Пример 3
Схема оросительной установки и данные по расходу воды приведены на Фиг.9. Геометрия (Y) оросительной установки такая же, как в примерах 1 и 2.
S
Отличие состоит в том, что общий расход подаваемой воды составляет Q=2020 кг/с. Такой расход воды получен за счет подачи одинакового расхода Q=60 кг/с через каждое кольцо второго и третьего каскадов в соответствии с Фиг.9.
S
Как показано на Фиг.10 (где показано распределение продольной скорости U в поперечном направлении Y для моментов времени t), повышение расхода воды до Q=2020 кг/с также позволило значительно до U=0-4 м/с затормозить поток ПС на выходе из установки орошения при Х=120 м.
Однако, как следует из Фиг.11 (где показано распределение поперечной скорости V в направлении продольной координаты Х для двух значений радиуса Y и моментов времени 1), торможение струи в продольном направлении получено в результате «раздувания» струи в поперечном направлении, которое происходит в месте расположения колец второго касскада оросительной установки.
Расчетные зависимости распределения температуры Т по радиусу струи ПС при Х=120 м, приведены на Фиг.12. Видно, что в данном случае температура в сечении растет в процессе работы изделия.
Пример 4
Схема оросительной установки и данные по расходу воды приведены на Фиг.13. Предполагается использование трех каскадов орошения струи ПС водой с помощью колец.
Н2О
Н2О
Первый каскад имеет 13 колец, радиус которых изменяется в сторону увеличения от Y=2 до 4,1 м, а расход воды одинаков для каждого кольца. Общая длина первого каскада составляет 23 м. Второй каскад состоит из 7 колец, радиусы которых меняются от Y=5 до Y=1 м. Общая длина второго каскада составляет 18 м. Третий каскад расположен вслед за вторым каскадом и представляет точную копию второго каскада. В первом каскаде воду из колец подают в направлении, перпендикулярном к продольной оси струи, совпадающей с осью симметрии колец. Во втором и третьем каскадах вода из колец подается навстречу потоку со скоростью U=25-44 М/С, V=0.
S
Суммарный расход воды составляет Q=1746 кг/с.
Расход от каждого кольца первого каскада одинаков и равен Q=100 кг/с.
Расход от каждого кольца второго и третьего каскадов изменяется вдоль оси в соответствии с Фиг.13.
mах
На Фиг.14 показаны полученные расчетом профили продольной скорости U струи ПС при Х=120 м в различные моменты времени работы t изделия. Профиль скорости во времени меняется незначительно при t>10 c. Максимальное значение скорости достигается в области радиальной струи при Y, равном приблизительно 5-6 м, и составляет около U=11 м/с. Полуширина струи составляет приблизительно Y=13 м. Для сравнения отметим, что в режиме использования только первого каскада величина скорости на оси оценивается величиной около 25 м/с, то есть в 2,5 раза большей.
На Фиг.15 приведены расчетные зависимости поперечной скорости струи (V) от координаты X, полученные на расстояниях Y=4 м и Y=10 м от оси в моменты времени t=20 с и t=30 с. При данной конфигурации оросительной установки большие поперечные скорости наблюдаются в области выходного сечения сопла и на выходе из первого каскада на расстоянии Y=3,5 м от оси струи. Далее вниз по потоку скорости движения струи в радиальном направлении невелики.
Расчетные зависимости распределения температуры Т по радиусу струи ПС, полученные при Х=120 м, приведены на Фиг.16. Видно, что в течение всего времени работы t изделия вблизи оси струи имеется область с повышенной температурой ПС.
Пример 5
Н2О
Н2О
Схема оросительной установки и данные по расходу воды приведены на Фиг.17. Предполагается использование трех каскадов орошения струи ПС водой с помощью колец. Первый каскад имеет 13 колец, радиус которых изменяется от Y=2 до 4,1 м, а расход воды одинаков для каждого кольца. Общая длина первого каскада составляет 23 м. Второй каскад состоит из 7 колец, радиусы которых меняются от Y=5 до Y=1 м. Общая длина второго каскада составляет 11 м. Третий каскад располагается вслед за вторым каскадом и представляет точную копию второго каскада. В первом каскаде воду из колец подают в направлении, перпендикулярном к продольной оси струи, совпадающей с осью симметрии колец. Во втором и третьем каскадах воду из колец подают навстречу потоку со скоростью U=25-44 м/с, V=0.
S
Суммарный расход воды составляет Q=1746 кг/с.
Расход от каждого кольца первого каскада одинаков и равен Q=100 кг/с.
Расход от каждого кольца второго и третьего каскадов изменяется в соответствии с Фиг.17. Данная конфигурация отличается от примера 4 меньшей длиной второго и третьего каскадов. Последнее кольцо третьего каскада расположено в той же координате, что и в примере 4.
mах
На Фиг.18 показаны полученные расчетом профили продольной скорости U струи ПС при Х=120 м в различные моменты времени t работы изделия. Профиль скорости во времени меняется примерно так же, как в примере 4. Максимальное значение скорости достигается в области радиальной струи при Y, равном приблизительно 4 м, и составляет величину около U=14 м/с, что несколько выше, чем в примере 4. Полуширина струи составляет так же приблизительно Y=13 м.
Расчетные зависимости распределения температуры Т по радиусу струи ПС, полученные при Х=120 м, приведены на Фиг.19. Видно, что в течение всего времени работы изделия вблизи оси струи имеется область с повышенной температурой ПС.
В целом из сравнения результатов расчетов, полученных для примеров 4 и 5, видно, что растянутые вдоль продольной оси второй и третий каскады приводят к уменьшению скорости потока на выходе из оросительной установки.
Для рассмотрения воплощения заявляемой оросительной установки для условий ликвидации двигателя на стенде использовались следующие исходные данные:
- по термодинамическим параметрам продуктов сгорания:
к=1,18 - показатель адиабаты;
µ=29 г/моль - молярная масса;
Т=3400 К - изохорическая температура в камере;
Р=1,3…0,2 МПа - давление в камере;
- по геометрии выходного сечения изделия:
a
R=0,75 м - радиус выходного сечения корпуса изделия.
Выходное сечение корпуса ракетного двигателя твердого топлива расположено в координате Х=2,4 м.
Пример 6
H2О
Н2О
Схема оросительной установки и данные по расходу воды приведены на Фиг.20. Предполагается использование трех каскадов орошения струи ПС водой с помощью колец. Первый каскад имеет 13 колец, радиус которых изменяется от Y=2 до 4,1 м, а расход воды одинаков для каждого кольца. Общая длина первого каскада составляет 23 м. Второй каскад состоит из 6 колец, радиусы которых меняются от Y=5 до Y=0,1 м. Общая длина второго каскада составляет 4,5 м. Третий каскад расположен вслед за вторым каскадом и представляет точную копию второго каскада. В первом каскаде воду из колец подают в направлении, перпендикулярном к продольной оси струи, совпадающей с осью симметрии колец. Во втором и третьем каскадах воду из колец подают навстречу потоку со скоростью U=25-44 м/с, V=0.
S
Суммарный расход воды составляет Q=1800 кг/c.
Расход от каждого кольца первого каскада одинаков и равен Q=100 кг/с.
Расход от каждого кольца второго и третьего каскадов изменяется в сторону увеличения от 20 до 70 кг/с, как показано на Фиг.20.
На Фиг.21 показаны полученные расчетом профили продольной скорости U струи ПС на выходе из оросительной установки при Х=65 м в различные моменты времени t работы изделия для одного и трех каскадов. Видно, что использование трех каскадов приводит к тому, что продольная составляющая вектора скорости струи ПС становится близкой к нулю. В этом случае струя растекается в радиальном направлении с меньшей скоростью.
Все вышеописанные примеры не ограничивают изобретение, а приведены как иллюстрации возможных воплощений.
Следует отметить, что заявляемая установка в силу своих конструктивных особенностей применима в отношении и мало-, и крупногабаритных ракетных двигателей на твердом топливе.
Таким образом, предлагаемая оросительная установка практически реализуема, позволяет удовлетворить давно существующую потребность в решении поставленной задачи и расширяет арсенал средств, предназначенных для охлаждения и локализации продуктов сгорания при испытании или ликвидации сжиганием заряда ракетного двигателя на твердом топливе.