CC BY
12
УДК 536.46:662.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МНОГОКРАТНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ МОДЕЛЬНОГО ОТКРЫТОГО ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ГАЗОГЕНЕРАТОРА В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Барсуков в.д., 1басалаев с. а., 2голдаев св., 1минькова н.п.
Национальный исследовательский Томский государственный университет, 634050 Томск, пр. Ленина, 36 ^Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, Томск, пр. Ленина, 30
АННОТАЦИЯ. Представлен разработанный модельный открытый твёрдотопливный газогенератор, с помощью которого реализован способ неоднократного прерывания горения с последующим зажиганием двухосновного твёрдого топлива в водной среде. Приведены результаты видеосъемки положения подвижного локализатора зоны горения, обеспечивающего воспроизводимость процесса многократного включения газогенератора. Определены некоторые параметры процессов, протекающих в этих условиях.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: открытый твёрдотопливный газогенератор, водная среда, двухосновное твердое топливо, подвижный локализатор зоны горения, термостойкий стакан, электронагреватель, зажигание, прерывание горения, повторное зажигание.
Одним из способов придания подъёмной силы затонувшим или аварийным объектам, как известно, является использование различных ёмкостей, наполняемых сжатым воздухом. Попытки использовать для этой цели более эффективные газогенерирующие системы на твёрдом топливе имеют существенный недостаток, связанный с трудностью осуществлять дозированный наддув произвольными порциями продуктов горения [1 - 4]. Так, в одном из последних крупных изобретений в этой области предложено использовать набор из шести отдельных газогенераторов, позволяющих осуществлять наддув соответственно в шесть приёмов [5].
Решение проблемы наддува ёмкостей плавучести представляется более предпочтительным, если использовать источник рабочего тела с возможностью многократного включения. Такие источники разрабатывались в основном применительно к ракетным системам, представление о которых дают работы [6 - 9].
Из анализа научно-технической литературы следует, что большинство известных в настоящее время твёрдотопливных источников газов типа ракетных двигателей или газогенераторов с многократным включением имеют общие недостатки, заключающиеся в сложности конструкции и ограниченности количества включений. В одних случаях количество запусков однозначно определяется количеством теплоизолированных секций топлива, в других, при осуществлении гашения заряда, - количеством воспламенителей. Кроме того, все известные твёрдотопливные источники газов, тем более и с многократным включением, в случае их использования в подводных условиях, имеют ограничения по рабочей глубине погружения порядка 5... 6 км [10].
Избавиться от этих недостатков за счёт достаточно простых технических средств удаётся в специфических условиях горения унитарного твёрдого топлива непосредственно в водной среде. Так, в работе [11] предложен способ многократного прерывание горения и повторного зажигания образца твердого топлива в водной среде и для его реализации представлена принципиальная схема открытого твёрдотопливного газогенератора с подвижным локализатором зоны газообразования (ПЛЗГ). На основе этого способа в работе [12] осуществлён параметрический анализ регулируемого подъёма затонувшего объекта глубоководным понтоном, продуваемым при помощи газогенератора с многократным включением. Вместе с тем, предложенный способ подводного сжигания унитарного твёрдого топлива требует дальнейшего совершенствования.
Целью настоящей работы является экспериментальное исследование процессов, сопровождающих зажигание, прерывание горения и последующее воспламенение шашки двухосновного твёрдого топлива в составе модельного открытого твёрдотопливного газогенератора многократного включения, функционирующего в водной среде.
В качестве объекта исследования использовался модельный вариант открытого твёрдотопливного газогенератора многократного включения, изображённого на рис. 1 в рабочем положении, в момент начала очередного зажигания топливной шашки. Газогенератор представляет собой установленную на фасонной опоре 1 цилиндрическую шашку двухосновного твёрдого топлива 2, на которую надет нагревательный подвижный локализатор зоны газообразования. Последний содержит контейнер 3 с внутренним электрическим нагревателем, выполненным в виде керамического стержня 4, на котором навита спираль накаливания 5 с подводящим проводами 6. Нагреватель по боковой поверхности и верхнему торцу теплоизолирован асбестом 7. Остальная часть пространства контейнера 3 заполнена эпоксидным компаундом 8. В нижней части контейнера 3 предусмотрен утяжелитель в виде проволочной намотки 9 и внешняя асбестовая теплоизоляция 10. К днищу контейнера 3 прикреплён стакан 11, имеющий боковые окна 13. Пространство, заключённое между днищем контейнера 3 и верхним краем окон 13 представляет рабочий объём локализатора, в котором и происходит горение топливной шашки 2. Нижняя часть стакана 11 выполнена в виде направляющей 14.
6 - подводящие провода; 7 - асбестовый теплоизолятор; 8 - эпоксидный компаунд; 9 - утяжелитель;
10 - внешняя теплоизоляция; 11 - стакан; 12 - уровень воды в стакане; 13 - боковое окно; 14 - направляющая
Рис. 1. Общий вид в разрезе размещённого в водной среде модельного открытого твёрдотопливного газогенератора многократного включения в момент начала второго зажигания топливной шашки
При испытаниях модельный газогенератор размещался в заполненном водой контейнере с прозрачными стенками. Причем ПЛЗГ подвешивался на тросе, который через предусмотренный блок позволял осуществлять перемещение его вверх и вниз (на рис. 1 не показаны).
При размещении установки под водой обращалось особое внимание на то, чтобы стакан 11 был полностью заполнен водой, включая рабочий объём стакана, предназначенный для осуществления горения (высота рабочей части стакана составляла 17,6 мм.). Этим обеспечивалось условие первого зажигания топлива действительно непосредственно в водной среде.
Образцы, используемые в эксперименте, представляли собой цилиндрические шашки из двухосновного топлива типа «Н» диаметром 20 мм и высотой 60 мм. Электрическая мощность, подаваемая на спираль накаливания 5 составляла 350 Вт.
В процессе испытания проводилась видеосъёмка цифровым аппаратом «Canon» с частотой 15 кадров в секунду. На рис. 2 приведены отдельные видеокадры, иллюстрирующие положения ПЛЗГ в процессе функционирования модельного твёрдотопливного газогенератора. Под видеокадрами, указано соответствующее время для различных этапов функционирования: режим зажигания, режим горения и режим отведения ПЛЗГ.
Рис. 2. Характерные видеокадры, иллюстрирующие положения ПЛЗГ в процессе функционирования модельного твёрдотопливного газогенератора при зажигании, горении и погасании топлива
По данным видеосъёмки с абсолютной погрешностью не более 0,5 мм определялись зависимости от времени положений ПЛЗГ в процессе многократного прерывания горения и последующего зажигания топлива. Непосредственные результаты приведены на рис. 3 (экспериментальные значения обозначены точками), на котором некоторые времена отсутствия движения ПЛЗГ больше времени зажигания. Это было связано с механическим торможением ПЛЗГ. Поэтому время зажигания уточнялось по видеокадрам, фиксирующим появление пузырьков газа. Уточнённые данные представлены на рис. 4. При этом на обоих рисунках по оси ординат откладывалось расстояние от верхней плоскости основания фасонной опоры 1 до нижнего края направляющей 14 (см. рис. 1).
40 60
Время, с
Рис. 3. Экспериментальные точки, фиксирующие в разные моменты времени положение ПЛЗГ при подводном зажигании, горения и погасании топлива
Для иллюстрации представления о процессе удобнее воспользоваться уточнённым графиком на рис. 4. Для экономии времени съёмки включение видеокамеры было произведено в момент, когда появились первые пузырьки продуктов горения (точка А на рис. 4). Затем, в связи с началом горения, ПЛЗГ под действием собственного веса движется вниз со скоростью горения топлива. Далее, (точка В) ПЛЗГ отводится вверх, выдерживается на произвольном расстоянии некоторое время, а затем снова опускается на топливный образец (точка С). За время прогрева происходит вторичное зажигание топлива (точки Б), и поэтому ПЛЗГ снова начинает двигаться вниз до очередного отведения (точка Е). Затем происходит очередное опускание ПЛЗГ на топливную шашку в точке Б для последующего зажигания. В дальнейшем происходит чередование режимов зажигания, горения и отведения ПЛЗГ.
60
50
40
20
10
>-1
1 1 ч' 1 1 1 т Г 1 1
ч I в с ) , \; Е Г 1 1 1 1 1 1 1
1—\ 1 1 ' 1 1 ч;1
ч
0
20
40
80
100
60 Время, с
Рис. 4. График зависимости от времени положения ПЛЗГ при подводном зажигании, горении и погасании топлива
120
По результатам видеосъёмки были рассчитаны некоторые параметры функционирования газогенератора, которые представлены в прилагаемой таблице.
Испытания газогенератора на различных режимах показало достаточно большой разброс во времени первого зажигания топливной шашки. Это время составляло обычно (10... 20) с. Сопоставление информации, полученной из рис. 2 и 3, позволяет определить время зажигания на разных этапах включения газогенератора. Время повторного зажигания,
определяемое с относительной погрешностью не более 3 %, оказалось одного порядка со временем первого зажигания.
Первое зажигание осуществляется при полном заполнении рабочего объёма стакана водой. Поэтому часть тепловой энергии тратится на её испарение, по крайней мере, в слоях, прилегающих к днищу ПЛЗГ. Остатки жидкости затем вытесняются образующимися продуктами горения. При отводе ПЛЗГ вверх происходит погасание топлива и охлаждение продуктов горения, заполняющих рабочий объём стакана. Соответственно, их объём уменьшается, и освободившееся пространство заполняется водой (уровень воды в стакане перед вторым зажиганием на рис. 1 показан цифрой 12). Однако, верхняя часть топливной шашки находится в газовой среде. Из проведённых экспериментов следует, что повторное зажигание осуществляется в пределах от 8,5 до 22,9 с.
Таблица
Некоторые параметры функционирования модельного твёрдотопливного газогенератора при подводном зажигании, горении и погасании топлива
№ п/п Время зажигания 4, с Время горения *, с Скорость движения ПЛЗГ и, мм/с Скорость отведения ПЛЗГ, ио, мм/с Время вскрытия зоны горения, 1ъ, с Число видеокадров за время вскрытия, шт.
1 10... 20 5,7 0,68 8,2 2,1 31
2 8,5 5,0 0,79 14,3 1,2 18
3 7,8 3,9 1,91 6,6 2,7 40
4 10,0 4,3 0,90 14,6 1,2 18
5 17,1 5,9 0,64 13,4 1,3 19
6 22,9 - - - - -
*Указан диапазон времён первого зажигания, полученных в предыдущих аналогичных экспериментах.
Прежде чем обсуждать результаты эксперимента с прерыванием горения необходимо отметить особенности движения ПЛЗГ в непрерывном режиме горения. Следует обратить внимание на то, что движение ПЛЗГ в процессе сжигания цилиндрического образца топлива осуществляется в двух режимах, которые условно могут быть названы торцевым и конусным. На торцевом режиме, когда охватываемая стаканом 11 цилиндрическая часть шашки 2 в процессе всестороннего газообразования преобразуется и поддерживается в виде усечённого конуса, скорость движения ПЛЗГ оказывается постоянной и равной линейной скорости горения топлива
и = и, (1)
где ит - скорость движения ПЛЗГ на торцевом режиме газообразования; и - линейная скорость горения топлива.
На конусном режиме, после перехода поверхности горения к конусу без усечения, скорость движения ПЛЗГ увеличивается скачком и в дальнейшем остаётся постоянной. Её конкретный размер можно определить, исходя из отношения массовых скоростей горения по конусу и торцу. Отсюда получаем соотношение
и = (г2 + Л2)0,5 и/г, (2)
где ик - скорость движения ПЛЗГ на конусном режиме газообразования; г - радиус топливной шашки; к - высота рабочей части ПЛЗГ.
Обращает на себя внимание большая скорость движения ПЛЗГ на третьем этапе горения. Можно предполагать, что эта скорость соответствует конусному режиму горения. Однако, расчёт по соотношению (2) даёт значение скорости ПЛЗГ, равное всего лишь 1,3 мм/с, что значительно расходится с результатом эксперимента (расхождение составляет 67 %). Факт существенного расхождения расчёта и эксперимента может быть связан с последствиями условий первого этапа горения. Для объяснения этого выделим верхнюю часть погашенной шашки, охарактеризованной тем, что её диаметр за счёт горения со скоростью 0,64 мм/с уменьшился на длине, равной длине рабочей части ПЛЗГ за вычетом уменьшения длины шашки за счёт торцевого горения. В связи с этим, на втором этапе
происходит зажигание выделенной части погашенной шашки, имеющей вид усечённого конуса высотой 13,7 мм с нижним большим основанием диаметром 6,1 мм (небольшая конусность образуется за счёт того, что зажигание шашки происходит от верхнего конца и распространяется вниз).
Важно проследить дальнейшую судьбу выделенной части топливной шашки, которая в процессе второго зажигания приобретает дополнительное увеличение конусности. Как следует из таблицы, на втором этапе торцевое горение происходит с несколько большей скоростью, что может быть связано с дополнительным поджатием ПЛЗГ за счёт уменьшения площади торцевой поверхности в 2,7 раза.
К третьему этапу зажигания выделенная часть шашки имеет длину 9,8 и диаметр 2,9 мм. При этом за счёт постепенности зажигания конусность выделенной части шашки ещё увеличивается. Можно предполагать, что при трёхкратном увеличении конусности верхняя часть шашки приобретает остриё и поэтому процесс должен перейти в режим конусного горения. Поэтому соответствующая скорость движения ПЛЗГ может быть рассчитана по соотношению (2), причём высоту следует брать 9,8 мм (вместо высоты рабочей части ПЛЗГ). Расчёт по соотношению (2) даёт значение 2,25 мм/с. Расхождение с экспериментом составляет 18 % и может быть связано с тем, что на третьем этапе горения остриё на шашке образуется несколько позже, и в течение времени запаздывания горение происходит в торцевом режиме.
После третьего этапа горения длина выделенной части шашки уменьшается до 2,4 мм, поэтому на четвёртом этапе её догорание происходит в конусном режиме в течение 1,3 с. Остальное время в течение 3 с горение происходит в торцевом режиме со скоростью 0,64 мм/с. Поэтому в среднем скорость движения ПЛЗГ составляет 1,0 мм/с, что близко к экспериментальному результату (расхождение 11 %).
На пятом этапе горения ПЛЗГ движется со скоростью горения топлива (полное совпадением с экспериментом), что свидетельствует о торцевом горении.
Скорость отведения ПЛЗГ в среднем составляла 11,4 мм/с, поэтому время заливания горящей части образца водой, т. е. фактически это время погасания, находилось в пределах 2,7 с. Возникает вопрос о скорости движения фронта погасания. Очевидно, при движении ПЛЗГ вверх фронт погасания топлива перемещается со скоростью, близкой к скорости подъёма уровня воды, прилегающей к образцу, т. е. при быстром движении ПЛЗГ вверх поверхность горения последовательно заливается водой с последующим погасанием. Некоторое отставание находится в пределах времени смены кадров, составляющего менее 0,07 с. Это следует из того, что из 55 видеокадров, полученных за время вскрытия поверхности горения в 5 случаях гашения, только на двух видеокадрах отмечалось свечение при отведении ПЛЗГ вверх. В остальных видеокадрах можно видеть поверхность образца без каких-либо признаков пламени.
Таким образом, проведённые исследования позволили выявить особенности функционирования открытого модельного газогенератора на основе двухосновного твёрдого топлива типа «Н» в водной среде при многократном запуске и останове. Приведена приближённая оценка скорости движения ПЛЗГ, изменяющаяся в процессе перехода поверхности газообразования от торцевой, равной скорости горения топлива, к конусной, зависящей от условий первого этапа горения. Показано, что при отведении подвижного локализатора зоны газообразования вверх со скоростью от 6,6 до 14,6 мм/с погасание топлива осуществляется за время от 2,7 до 1,2 с, при этом запаздывание погасания относительно движения ПЛЗГ не превышает 0,07 с. Время повторного и последующих зажиганий составляет от 8,5 до 22,9 с.
Статья написана в рамках научного проекта (№ 8.2.46.2015), выполненного при поддержке Программы «Научный фонд Томского государственного университета им. Д. И. Менделеева» в 2015 г.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Букалов В.М., Нарусбаев А.А. Проектирование атомных подводных лодок. Л. : Судостроение, 1968. 334 с.
2. Delgrende I. Application de generateurs de gaz a propergol pourla Vidange de Capasites a Lmmersion profoude // Bull. A. Ssol Techn. mer etacronaut.1972. № 72. P. 369-385.
3. Бриль Д.Е., Говорушкин В.Н., Калинин О.И. и др. Жёсткий понтон для подъёма затонувших объектов // А.с. 664873 СССР. 1979.
4. Доброзракова Е.В., Жаринов А.Н., Кулюкин В.М. Возможность создания аварийно-спасательных средств на основе твёрдотопливных газогенерирующих устройств // Вопросы оборонной техники. Сер. 1. 1992. Спец. вып. С. 50-57.
5. Сироткин В.А., Тюриков А.А., Хоменко Н.И., Захаров Ю.А. Система аварийного всплытия подводных аппаратов «Малахит-1», устройство для продувания цистерн главного балласта при аварийном всплытии и способ аварийного всплытия // Патент № 2134212 РФ. 1999.
6. Шишков А.А. Газогенераторы ракетных систем. М. : Машиностроение, 1981. 152 с.
7. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчёт ракетных двигателей твёрдого топлива : учебник для вузов. М. : Машиностроение, 1987. 272 с.
8. Петренко В.И., Соколовский М.И., Зыков Г.А. и др. Управляемые энергетические установки на твердом ракетном топливе. М. : Машиностроение, 2003. 463 с.
9. Кривошеев И.А., Целищев В.А., Бачурин Е.В., Стрельников Е.В. Опыт разработки управляемого РДТТ многократного включения // Вестник УГАТУ: Уфа, 2012. Т. 16, № 2. С. 174-188.
10. Барсуков В.Д., Голдаев С.В. Подводное зажигание и горение унитарных твёрдых топлив. Теория, эксперимент, технические приложения. Томск : Изд-во Томс. ун-та, 2003. 350 с.
11. Барсуков В.Д., Басалаев С.А., Голдаев С.В., Минькова Н.П., Поленчук С.Н. Способ управления сжиганием унитарного твердого топлива в жидкой среде и газогенератор // Патент № 2357094 РФ. 2009.
12. Барсуков В.Д., Басалаев С.А., Голдаев С.В., Минькова Н.П. Открытый газогенератор с многократным запуском для продувки глубоководного понтона // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3. С. 327-334.
EXPERIMENTAL STUDY OF MODEL OPEN SOLID PROPELLANT GAS GENERATOR MULTIPLE INCLUSION PROCESS IN AQUEOUS MEDIUM
:Barsukov V.D., 1Basalaev S.A., 2Goldaev S.V., 1Minkova N.P.
Scientific-Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia
2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
SUMMARY. The experimental study of repeated burning interruption with the subsequent ignition in the water environment for bibasic firm fuel as a part of a model open solid propellant gas generator is presented. Video filming of burning zone mobile localizer providing process of repeated inclusion of a gas generator are given. Some parameters of the processes proceeding in these conditions are defined.
KEYWORDS: open solid propellant gas generator, aqueous medium, dibasic solid propellant, burning zone mobile localizer, heat-resistant glass, electric heater, combustion interruption, repeated ignition.
Барсуков Виталий Дементьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией № 12 НИИПММ ТГУ, тел. 8(3822)529-565, e-mail:barsukov@niipmm.tsu.ru
Басалаев Сергей Александрович, кандидат физико-математических наук младший научный сотрудник НИИПММ ТГУ, e-mail: tarm@niipmm. tsu. ru
Голдаев Сергей Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической и промышленной теплотехники ТПУ, тел. 8(3822)564-010, e-mail: SVGoldaev@rambler.ru
Минькова Наталья Петровна, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник НИИПММ ТГУ, e-mail: n.p. minkova@mail. ru
