CC BY
23
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА
УДК 536.46:662.3:551:46
ОТКРЫТЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР С МНОГОКРАТНЫМ ЗАПУСКОМ ДЛЯ ПРОДУВКИ ГЛУБОКОВОДНОГО ПОНТОНА
БАРСУКОВ В.Д., БАСАЛАЕВ С.А., *ГОЛДАЕВ СВ., МИНЬКОВА Н.П.
НИИ прикладной математики и механики Национального исследовательского Томского госуниверситета, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 *Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
АННОТАЦИЯ. Предложена и испытана схема открытого газогенератора с многократным запуском и остановом в водной среде, который позволяет реализовать дискретную продувку понтонов. На основе разработанного методического обеспечения осуществлен параметрический анализ начальной стадии подъема затонувшего объекта, в течение которой осуществляется преодоление отрывного сопротивления.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вода, горение, подъем, газогенератор, газ, давление, температура, уравнение, моделирование, процесс.
Твердотопливные газогенераторы (ТГГ) применяются для обеспечения запуска изделий из транспортно-пусковых контейнеров [1], термогазохимическом воздействии на нефтяные пласты [2], проведении аварийно-спасательных и подводно-технических операций [3]. Это обусловлено следующими факторами [1]: потенциальная энергия твердых топлив в 2...5 раз превышает энергию сжатого воздуха, а генератор весит в 7 раз меньше, чем его аналог на сжатом воздухе. Они допускают многолетнее хранение без регламентных проверок. Важно также наличие продолжительного опыта применения такого типа энергетических источников в различных отраслях техники.
Заряд и устройство воспламенения таких источников рабочего тела находятся в герметичных металлических корпусах. С увеличением эксплуатационных глубин появляется необходимость в их упрочнении, что приводит к увеличению пассивного веса и удорожанию. Кроме того, продувка жесткого понтона ТГГ корпусного типа сопровождается возникновением в начальный период вытеснения воды пиков давления, недопустимых по прочностным соображениям его конструкции [3].
При разработке схем надува эластичных оболочек подъемных устройств ТГГ возникает задача о снижении температуры продуктов сгорания до эксплуатационного уровня, допускаемого термостойкостью материала емкости. В известных решениях для этой цели применялись охладители (вещества с высокой теплотой сублимации), которые размещались в предсопловом объеме ТГГ, либо змеевики из металлических трубок, соединяющих камеру сгорания с эластичной емкостью. Наличие подобных узлов, а также прочных корпусов самих ТГГ, ухудшает весовое совершенство устройств. С расширением диапазона глубин погружения отмеченные недостатки сказываются все ощутимее.
В ходе преодоления отмеченных недостатков были разработаны схемы открытых газогенераторов (ОГ), разгруженных от внешнего гидростатического давления [3], предназначенных для наполнения оболочек плавучести подъемных устройств, или продувки понтонов.
Например, для повышения эффективности подъема среднегабаритных объектов с большой глубины разработан понтон [3]. Внутри его жестких стенок непосредственно устанавливается ОГ, представляющий собой набор стандартных шашек из баллиститного топлива. На крышке загрузочного люка крепится воспламенительное устройство (ВУ). При погружении понтона вода заполняет внутреннее пространство, омывая шашки, а ее вытеснение происходит через горловину.
Начало продувки и последующее зажигание обнажающихся шашек осуществляется ВУ, выполненным в виде твердотопливной шашки цилиндрической формы. В ней предусмотрен сквозной канал, для размещения спирали накаливания (СН), обеспечивающей зажигание стенок канала непосредственно в водной среде от источников тока средней мощности [3]. По мере дальнейшей продувки понтона происходит «подключение» новых участков поверхности. Поэтому вода, окружающая шашки, играет роль подвижного бронирующего покрытия.
Следовательно, использование ОГ для продувки понтона с жесткими стенками снижает динамическое воздействие на них и улучшает весовое совершенство системы вытеснения.
Для обеспечения подъема затонувшего объекта с малой скоростью в работе [4] рассмотрена возможность стравливания газов из понтона с помощью клапана, который открывается при превышении скорости всплытия допустимого значения.
На начальной стадии процесса подъема возникает необходимость создавать избыточную подъемную силу понтоном или краном, чтобы преодолеть отрывное сопротивление. Согласно данным работы [5], под влиянием эффекта присоса грунта фактическое превышение силы отрыва над силой веса затонувшего объекта может достигать 40 %. На практике применяется ступенчатая схема отрыва, когда поочередно усилие прилагается к краям затонувшего объекта [6]. При продувке понтона ОГ не удается обеспечить порционную подачу газов. В случае возникновения нештатной ситуации в начальной стадии подъема требуется остановить работу ОГ. Однако в упомянутой конструкции прекращение его функционирования происходит только после полного расходования запаса топлива.
В настоящей работе приведены результаты исследований по обеспечению возможности дискретной (регулируемой) продувки цистерны понтона с помощью модернизации открытого газогенератора (ОГМ) и моделирования начальной стадии подъема затонувшего груза.
Задача расширения диапазона регулирования газоприхода при подводном горении и обеспечение прерывания процесса газообразования с возможностью повторного зажигания шашки унитарного твёрдого топлива (УТТ) была решена с использованием способа подводного сжигания УТТ при движении фронта газообразования сверху вниз [7].
Цилиндрическая шашка УТТ 1 размещается в жидкости преимущественно в вертикальном положении (рис. 1). Затем на верхнем торце шашки устанавливается подвижный локализатор зоны горения (ПЛЗГ) в виде термостойкого стакана 2 в перевёрнутом положении. Донную часть ПЛЗГ при помощи спирали накаливания 3 нагревают до температуры, превышающей температуру воспламенения УТТ и затем, в течение всего процесса сжигания, поддерживают эту температуру.
Обеспечение горения УТТ представляется следующим. Горячее днище ПЛЗГ обеспечивает испарение прилегающей жидкости и последующее зажигание УТТ (рис. 1, б.) На верхнем торце шашки 1 появляется прослойка из продуктов горения, которые вытесняют жидкость с образованием в нижней части ПЛЗГ свободной поверхности 4 (движение продуктов горения на рис. 1 показано стрелками).
После зажигания топлива по верхнему торцу осуществляется принудительное движение термостойкого стакана вниз. При относительно равномерном движении ПЛЗГ 2 верхняя часть топливной шашки 1 приобретает форму усечённого конуса (рис. 1, в). В этом случае поверхность горения оказывается возросшей. Если такое увеличение поверхности горения оказывается излишним, то движение локализатора зоны горения 2 приостанавливается или отводится частично назад (рис. 1, г). Вследствие этого нижняя часть поверхности горения оказывается погружённой в жидкость. Топливо в этом месте гаснет и газоприход уменьшается.
По мере выгорания топлива, имеющий отрицательную плавучесть ПЛЗГ, «следит» за фронтом горения, осуществляя непрерывную локализацию зоны газообразования в динамическом режиме [7]. При движении фронта горения сверху вниз сохраняется докритический режим истечения продуктов сгорания [8].
В работе [9] проведен качественный и количественный анализ условий повторного зажигания УТТ для реализации подводного движения фронта горения сверху вниз, когда поверхность шашки принимает форму усеченного конуса. Предполагалось, что прекращение горения шашки наступает после удаления ПЛЗГ и взаимодействия фронта горения УТТ с окружающей водой. Повторное зажигание сможет произойти после возвращения ПЛЗГ в исходное положение и контакта торцевого участка шашки УТТ, имеющей коническую форму, со спиралью накаливания. Анализ возможности уменьшения подъемной силы понтона за счет реализации упомянутого выше нового способа подводного сжигания УТТ при движении фронта горения сверху вниз проводился следующим образом.
Полное прекращение горения УТТ достигается остановкой ПЛЗГ или (для более быстрого прерывания горения) отводом его вверх. Топливо оказывается окружено жидкостью (рис. 1, д) и поэтому гаснет. Для последующего зажигания ПЛЗГ опускается на верхний торец погашенной шашки (рис. 1, е) и процесс повторяется [10].
Для обоснования реализуемости предлагаемого способа проведены лабораторные испытания при атмосферном давлении, результаты которых представлены в работе [11]. Образцы представляли собой цилиндрические шашки баллиститного твердого топлива типа Н диаметром 20 мм, а длина изменялась в пределах 60... 120 мм, их масса составляла 0,03... 0,06 кг. Образцы закреплялись в вертикальном положении на специальной подставке и помещались в емкость, заполненную водой. На верхний торец цилиндрической шашки надевался ПЛЗГ, в днище которого был вмонтирован электронагреватель. ПЛЗГ был закреплен на блоке и мог свободно перемещаться в пространстве в вертикальном направлении.
Зажигание образца обеспечивалось СН мощностью около 350 Вт, время воспламенения находилось в пределах 10... 20 с. После выхода на стационарный режим горения ПЛЗГ отводился вверх, и истечение газов прекращалось в течение долей секунды. Через несколько минут локализатор снова опускался на шашку, и горение возобновлялось с задержкой 10. 20 с. Прерывание горения проводилось до шести раз. Суммарное время горения (без учёта перерывов) в зависимости от длины образцов изменялось в пределах 24. 120 с и практически соответствовало скорости горения использованного УТТ при атмосферном давлении.
Процесс вытеснения воды из балластной цистерны ОГМ моделировался таким образом [10]. Под действием избыточного давления продуктов сгорания происходит вытеснение воды из балластной цистерны в окружающую среду в поршневом режиме, ее объемный расход вычислялся по уравнению Бернулли. Теплообмен продуктов сгорания с водой и стенками цистерны принимался в форме Ньютона [4].
В рамках сформулированных допущений рассматриваемая задача сводится к системе нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), представляющих собой балансовые соотношения для массы и энергии продуктов сгорания, уравнений, моделирующих горение УТТ и вытеснение воды из балластной цистерны, которые замыкаются зависимостями внутренней баллистики ТГГ [1]:
йвг (р8
е/
—— = аг
Лх /
Р
ЛГ1
2 (Р. - Рь ) .
Р/
(1) (2)
ЛМ8 Ле /
8 _ - ^, ^ ; (3)
Лх Лх
ЛТ^ _ (кСрТр - оуТ. ) ^8 - р.ЛГ1 / ЛХ (1 - ) - £ -
ЛХ оуМ
Лр. КрТ„ ЛМр КМгЛГг р. лу.
(4)
8 _ 8 8 8 + 8 8 8 О О (5)
лх ~ V.8 лх V? лх V. лх , ()
где <2,, _ав (Т - Т )$у - тепловые потери продуктов сгорания при их взаимодействии со
стенками оболочки; а, Т,, 5 - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке емкости, ее температура и площадь поверхности, участвующая в теплообмене; ТР - температуры газов и горения при постоянном давлении; оР, оу, к - удельные массовые теплоемкости при постоянных давлении и объеме, газовая постоянная, показатель адиабаты продуктов сгорания, соответственно; Оё, - секундные массовые «приход» продуктов сгорания от ОГ и «расход» при их истечении из оболочки, которые вычисляются по зависимостям для докритического режима истечения из резервуара; кх - коэффициент тепловых потерь, интегрально учитывающий затраты энергии продуктов сгорания при их барботаже через слой воды; е/ - толщина сгоревшего свода; р/, р/ - плотности УТТ и воды; 5/, 5ъ, 5/ - площади поверхностей горящего участка шашки, стенок балластной цистерны и воды, участвующие в теплообмене; < - коэффициент расхода при истечении воды; р1 - атмосферное давление; а/, V -коэффициенты аппроксимации в степенном законе скорости горения от давления.
Условие однородности термодинамических характеристик по занимаемому ими объему реализуется в широком классе процессов, когда скорости ее движения гораздо меньше звуковых [4]. В рассматриваемой задаче поступление продуктов сгорания в цистерну происходит от ОГ, работающих в докритическом режиме [4]. Скорость движения которых еще более уменьшается после барботажа через слой воды. Поэтому следует ожидать, что использование допущения об однородности термодинамических параметров будет выполняться достаточно хорошо.
V
Изменение средней температуры стенки понтона толщиной 5 описывается уравнением:
=а* (т - Т )-а/ (Т - Т)' (6)
где Сц, рц - удельная теплоемкость и плотность материала оболочки; Т;, а; - температура воды и коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.
Поскольку геометрические размеры понтона и поднимаемого груза сравнительно невелики, то рассматриваемая система «Понтон+груз» заменялась материальной точкой. Уравнение неравномерного прямолинейного движения твердого тела в вязкой несжимаемой жидкости имело вид [5]:
(М + Мр )^ = (Р;-р)gV(г)-Ыс%-^, (7)
где Мс, Мр - соответственно, суммарная и присоединенная массы системы «Понтон+груз»;
и - скорость всплытия; V - вместимость цистерны, - сила сопротивления, оказываемая водой и состоящую из двух гидродинамических сил: волновой и вязкостной, вычисляется по формуле [5]:
Р1 = к18шР1и 2/2,
где к; - коэффициент гидродинамического сопротивления; - площадь «миделева» сечения.
Как показали численные оценки, такой подход дает сравнительно небольшую ошибку в вычислении площади £ш. К тому же, использование к;, соответствующего реальной форме понтона, еще более снижает погрешность в учете силы сопротивления, оказываемого водой на всплывающую систему «Понтон+груз».
Для нахождения глубины Н, на которой находится в текущий момент времени система «Понтон+груз», добавлено дифференциальное уравнение
ан
~л = и (8)
Выписанная система ОДУ «замыкалась» критериальными уравнениями для свободной конвекции и гидродинамического сопротивления [4]. Начальные условия формулировались следующим образом:
при г = 0 в; = и = = V), Т = Т = Т, М = М0; Н = Н0. (9)
При превышении доли продутого объема определенного значения «отключался» приход газа. Соответственно, в уравнении энергии учитывалось уменьшение энергии продуктов сгорания, обусловленное отсутствием этого прихода.
Численное решение исходной системы ОДУ осуществлялось на ПК с помощью процедуры, реализующий метод Рунге-Кутта.
Габаритные характеристики балластной цистерны принимались такими: длина (высота) - 0,85 м; диаметр - 0,56 м; диаметр горловины - 0,23 м.
Был произведен расчет при гидростатическом давлении рН = 0,5 МПа (глубина погружения - 50 м); диаметр шашки 0,02 м, высота шашки - 0,1 м, количество шашек 3 шт.; кг = 0,5; «отключение» ОГМ осуществлялось при превышении вместимости, занимаемой газами 20 % (кривая 2) и 30 % (кривая 3). Как видно из графиков, представленных на рис. 2 и 3, после останова ОГМ по описанному выше способу происходит замедление процесса вытеснения воды из понтона (рис. 2) до израсходования имеющегося перепада давления (рис. 3). В случае реализации высокотемпературной продувки из-за достаточно быстрого охлаждения продуктов сгорания уменьшается вместимость, занимаемая газами, и снижается подъемная сила. При низкотемпературной продувке процесс снижения температуры газов до температуры воды составляет несколько минут.
Поэтому за счет выключения ОГМ и последующего его запуска с помощью спирали накаливания возможна реализация ступенчатого изменения подъемной силы понтона, необходимого при доставке затонувших среднегабаритных объектов на поверхность воды.
0 0,4 0,8 1,2 1,6 t, с
Рис. 3. Зависимость доли продутого объема от времени
Выбрав запас топлива на преодоление максимально возможного отрывного сопротивления объекта от грунта, при более благоприятном стечении обстоятельств, когда из-за сил присоса вес объекта возрастает на 10... 20 %, вытеснение воды из балластной цистерны ОГМ продолжается до создания необходимой силы Архимеда. После начала всплытия понтона с грузом производится останов ОГМ по описанному выше алгоритму.
Таким образом, предложена и испытана схема открытого газогенератора с многократным запуском и остановом в водной среде, который позволяет реализовать дискретную продувку понтонов. На основе разработанного методического обеспечения осуществлен параметрический анализ начальной стадии подъема затонувшего объекта, в течение которой осуществляется преодоление отрывного сопротивления. Принимая во внимание предложенную ранее авторами модификацию понтона с клапаном, обеспечивающую его движение с грузом с допустимой скоростью, можно утверждать, что решена задача обеспечения регулированного подъема затонувшего объекта понтоном, продуваемого открытым генератором на основе унитарного твердого топлива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Шишков А.А., Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. М.: Машиностроение, 1981. 152 с.
2. Чазов Г.А., Азаматов В.И., Якимов В.В. и др. Термогазохимическое воздействие на малодебитные и осложненные скважины. М.: Недра, 1986. 150 с.
3. Барсуков В.Д., Голдаев С.В. Подводное зажигание и горение унитарных твердых топлив. Теория, эксперимент, технические приложения. Томск : Изд-во Том. ун-та, 2003. 352 с.
4. Барсуков В.Д., Гарипов Р.Н., Голдаев С.В. Моделирование регулируемого подъема среднегабаритных объектов жестким понтоном // Материалы IV Всерос. науч. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». Томск : Изд-во Том. ун-та, 2004. С. 59-60.
5. Муру Н. П. Прикладные задачи плавучести и устойчивости судна. Л. : Судостроение, 1985. 212 с.
6. Еловего Ю.Н., Ерохин А.Г., Казин Д.И. и др. Справочник по расчетам при судоподъеме. М. : Военное издательство, 2005. 479 с.
7. Барсуков В.Д., Голдаев С.В., Минькова Н.П. и др. Новый способ подводного сжигания УТТ при движении фронта горения сверху вниз // Материалы V Всерос. науч. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». Томск : Изд-во Том. ун-та, 2006. С. 64-65.
8. Барсуков В.Д., Голдаев С.В., Минькова Н.П. О докритическом режиме подводного сжигания УТТ при движении фронта горения сверху вниз // Материалы V Всерос. науч. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». Томск : Изд-во Том. ун-та, 2006. С. 63-64.
9. Барсуков В.Д., Голдаев С.В. Анализ условий повторного зажигания унитарного топлива для реализации подводного движения фронта горения сверху вниз // Извести вузов. Физика. 2007. Т. 50, № 9/2. С. 42-46.
10. Барсуков В.Д., Басалаев С.А., Голдаев С.В. и др. Способ управления сжиганием унитарного твердого топлива в жидкой среде и газогенератор // Патент РФ № 2357094. 2009. Бюл. №21.
11. Барсуков В.Д., Басалаев С.А., Голдаев С.В. и др. Способ управления подводным сжиганием УТТ с возможностью прерывания горения и повторного зажигания // Материалы VI Всерос. науч. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». Томск : Изд-во Том. ун-та, 2008. С. 59-60.
12. Барсуков В.Д., Басалаев С.А., Голдаев С.В. К расчету продувки понтона регулируемой источником рабочего тела на основе подводного горения УТТ // Материалы VI Всерос. науч. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». Томск : Изд-во Том. ун-та, 2008. С. 55-56.
GAS GENERATOR WITH AN OPEN RUN REPEATEDLY DEEP FOR PURGING PONTOONS
Barsukov V.D., Basalaev S.A., *Goldaev S.V., Minkova N.P.
Scientific-Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics, National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia
*National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
SUMMARY. Proposed and tested in an open circuit gas generator with multiple starting and stopping in an aqueous medium, which allows for discrete blowing pontoons. Based on the developed methodological support parametric analysis carried out the initial stage of lifting a sunken object, for which the voucher to overcome resistance.
KEYWORDS: water, combustion, recovery, gas generator, gas, pressure, temperature, equation modeling, process.
Барсуков Виталий Дементьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией №12 НИИПММ ТГУ, тел. 8(3822)529-565, e-mail: [email protected]
Басалаев Сергей Александрович, младший научный сотрудник НИИПММ ТГУ, e-mail: [email protected]
Голдаев Сергей Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры Теоретической и промышленной теплотехники ТПУ, тел. 8(3822)564-010, e-mail: [email protected]
Минькова Наталья Петровна, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник НИИПММ ТГУ, e-mail: [email protected]
