ИСТОЧНИК РАБОЧЕГО ТЕЛА МГД-ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1999 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к генераторам плазмы и может быть использовано в качестве источника рабочего тела (ИРТ) для МГД-генераторов повторно-кратковременного действия (ПКД), которые могут применяться в качестве мощного источника тока для глубинного электромагнитного зондирования (ГЭМЗ) земной коры [1].

Известный источник рабочего тела МГД-генератора [2], выбранный в качестве аналога, представляет систему с двухступенчатым сжиганием прессованного заряда пиротехнического горючего и включает генератор и камеру дожигания. Для организации повторно-кратковременного режима работы этого источника рабочего тела заряд горючего размещают в гильзе и применяют самоуплотняющийся затвор артиллерийского типа [3] (цилиндрический-поршневой). Такое конструктивное выполнение не обеспечивает защиту уплотняемых поверхностей от загрязнений продуктами сгорания. В условиях работы источника рабочего тела в МГД-генераторах надежность такой кинематической схемы затвора невысока и поэтому практически неприменима.

В качестве прототипа выбран источник рабочего тела (ИРТ) МГД-генератора с твердым плазмообразующим топливом [4].

Источник рабочего тела (фиг. 1) включает следующие элементы: силовой корпус 1, защищенный изнутри от действия высокой температуры теплозащитным покрытием (ТЗП), которое изготовлено из термостойких и эррозионно стойких материалов; заднюю крышку 2 со сверхзвуковым соплом 3, обеспечивающим сверхзвуковое истечение низкотемпературной плазмы; переднюю крышку 4 с системой воспламенения, которая состоит из воспламенителя 5 и инициирующих воспламенение пиропатронов 6; заряд 7, представляющий собой цилиндрический моноблок, изготовленный из твердого плазмообразующего (порохового) топлива (ТПТ) с ионизирующейся добавкой; наружные части заряда забронированы специальным инертным составом 8, исключающим возможность горения со стороны наружной поверхности. Заряд 7 закреплен внутри корпуса 1 при помощи обоймы 9 и втулки 10 из теплозащитного материала. Конструкция заряда обеспечивает такое изменение величины поверхности горения при работе источника, что давление в течение пуска остается приблизительно постоянным. В обойме 9, прокладках и втулке 10 предусмотрены каналы для выравнивания давления по всему внутреннему объему полости корпуса. Задняя крышка 2 имеет изнутри теплозащитное покрытие 11, а со стороны МГД-канала - болтовое фланцевое соединение. Уплотнение разъемных соединений передней 4 и задней 2 крышек с корпусом 1 выполнено резиновыми кольцами 12 круглого сечения в конусной фаске.

Снаряжение ИРТ включает в себя сборку моноблока с прочным корпусом и другими указанными элементами. Снаряженный ИРТ с помощью подъемника перемещают на стапель ИРТ, юстируют, закрепляют на стапеле. После юстировки ИРТ фланцы ИРТ и МГД-канала соединяют между собой болтовым соединением После установки электрических пиропатронов 6 в резьбовых отверстиях передней крышки 4 ИРТ готов к работе. Пуск осуществляется подачей электрического импульса на контакты пиропатронов, которые поджигают пороховой воспламенитель 5. Последний создает внутри ИРТ начальное давление, необходимое для быстрого выхода заряда на расчетный режим горения.

После пуска силовой корпус с несгоревшими остатками топлива (шлаком) возвращают на участок снаряжения, где производится его полная разборка и очистка.

Основными недостатками прототипа и работоспособных источников рабочего тела для импульсных МГД-генераторов являются высокая трудоемкость их подготовки, что приводит к длительному времени подготовки ИРТ к пуску (промежуток времени между пусками МГДГ не может составлять менее 12 часов), а также малый ресурс работы ИРТ.

Для широкого внедрения мощных импульсных МГД-генераторов в практику необходимы МГДГ повторно-кратковременного действия (ПКД) с возможностью проведения большого количества пусков за короткое время (1 пуск МГДГ каждые 10 минут [2]).

Техническим результатом предложенного изобретения является сокращение времени подготовки источника рабочего тела к пуску (по сравнению с прототипом не менее чем в 60 раз), осуществление повторно-кратковременного режима МГД-генератора и увеличение ресурса работы. Этот результат достигается усовершенствованием известного источника рабочего тела МГД-генератора, содержащего корпус с передней и задней крышками на торцах, сверхзвуковое сопло, заряд и систему воспламенения с воспламенителем и средством инициирования воспламенения, которое размещено в передней крышке, сверхзвуковое сопло установлено в задней крышке, передняя крышка прикреплена к корпусу разъемным соединением.

Усовершенствование заключается в том, что в ИРТ введен несгораемый контейнер, закрытый с одного торца конической насадкой, а с другого - дном, заряд размещен в контейнере, который установлен в корпусе таким образом, что его дно обращено к передней крышке, на внутренней поверхности конической насадки закреплен воротник, выполненный из аблирующего материала, воспламенитель установлен в дне контейнера, а в качестве разъемного соединения передней крышки с корпусом использован кремальерный затвор, при этом передняя крышка закреплена на корпусе дополнительным петлевым дверным соединением и в ней выполнены выступы, входящие в зацепление с ответными выступами кремальерного кольца, а на корпусе нанесена резьба для соединения с кремальным кольцом.

Прилагаемые чертежи поясняют существо изобретения.

На фиг. 1 показан продольный разрез источника рабочего тела (ИРТ), выбранного в качестве прототипа.

На фиг. 2 показан продольный разрез предложенного ИРТ.

На фиг. 3 изображен вид предложенного ИРТ с торца.

Фиг. 4 поясняет кремальерное соединение передней крышки с корпусом.

На фиг. 5 показано кремальерное кольцо, а на фиг. 6 изображен вид передней крышки.

Предложенный источник рабочего тела (ИРТ) состоит из цилиндрического стального корпуса 1, передней крышки 2, задней крышки 3, быстродействующего механизма уплотнения передней крышки 2 и помещенного в контейнер 4 специальной конструкции моноблока твердого плазмообразующего топлива (ТПТ), т.е. заряда 5.

Быстродействующий механизм уплотнения передней крышки (кремальерный затвор [5]) включает в себя кремальерное кольцо 6 с секторным зубчатым венцом 7 на его боковой поверхности, входящим в зацепление с шестерней 8, соединенной с электромотором 9, две петлевые пары 10, 11, обеспечивающие откидывание крышки 2 на петлях 11 вокруг оси 12. Ось 12 закреплена в неподвижных элементах петель 10, приваренных к корпусу 1.

Контейнер 4 для заряда ТПТ представляет собой тонкостенную металлическую емкость цилиндрической формы, имеющую с одного торца дно 13 с втулкой 14, а с другого - насадку 15 в виде усеченного конуса с воротником 16 из аблирующего материала на внутренней поверхности. Внутри втулки 14 размещен воспламенитель 17. Наружная поверхность втулки имеет кольцевой уступ, позволяющий извлекать контейнер из корпуса после пуска.

На боковой поверхности передней крышки 2 выполнены кремальерые выступы "в" и пазы "г" (фиг. 6). Элементы петель 11 приварены к ее наружной поверхности. В центре крышки 2 имеются отверстия под пиропатроны 18 с байонетным разъемом.

Крышка 2 откидывается на петлях 10, 11 вокруг оси 12 с помощью двух механизмов винтового типа с электроприводами 19.

Кремальерное кольцо 6 имеет внутреннюю резьбу и навернуто на ответную резьбу на корпусе 1. У кольца 6 имеются кремальерные выступы "а" и пазы "б" (фиг. 5). Окружные длины выступов "а" кольца 6 и выступов "в" крышки 2 равны. Окружные длины пазов "б" и "г" (соответственно кольца и крышки) равны между собой и несколько больше длины выступов на величину необходимого зазора, поскольку при соответствующем положении кольца 6 на корпусе 1 его пазы должны пропускать выступы крышки 2 внутрь кольца. Диаметры пазов "б" и выступов "а" кольца больше соответственных диаметров крышки на величину необходимого зазора между этими диаметрами.

Корпус 1 представляет собой полый стальной цилиндр, в стенке которого выполнены каналы 20 для охлаждающей жидкости. С наружной стороны к корпусу 1 приварены упорно-опорные элементы 21, с помощью которых ИРТ закрепляют на стапеле, а со стороны кремальерного затвора - неподвижные элементы петель 10.

Корпус 1, передняя 2 и задняя 3 крышки вместе образуют камеру сгорания ИРТ.

Задняя крышка 3 соединена с корпусом 1 разъемным болтовым соединением, внутри нее помещено сверхзвуковое сопло 22. В крышке 3 и сопле 22 имеются каналы 23 для охлаждающей жидкости, объединенные в общую сеть.

На открытых внутренних поверхностях контейнера 4 с топливом и внутренней поверхности передней крышки 2 нанесено теплозащитное покрытие 24.

Уплотнение передней 2 и задней 3 крышек с корпусом 1 осуществлено резиновыми кольцами 25 круглого сечения в конусной фаске (фиг. 4).

В стенке контейнера 4 имеются отверстия 26, необходимые для выравнивания давления по обе ее стороны при горении заряда.

При хранении контейнера с топливом все отверстия в его стенке, включая сопловое, заклеены материалом типа металлической фольги.

Здесь следует отметить, что в описанных в [2, 4] импульсных МГДГ используются неохлаждаемые ИРТ и после каждого пуска необходимо ждать, пока температура внутренних поверхностей камеры сгорания в результате охлаждения на воздухе снизится до величины, допускаемой инструкцией по эксплуатации МГД-генератора.

Предложенный источник рабочего тела МГД-генератора работает следующим образом.

Для осуществления режима ПКД с частотой пусков не менее 1 за 10 минут предусмотрено централизованное дистанционное управление электроприводом механизма поворота крышки 2 затвора вокруг оси 12, электроприводом механизма вращения кремальерного кольца 6 по нарезке корпуса 1, а также приводами других сервомеханизмов ИРТ. Снаряжение предлагаемого ИРТ в режиме повторно-кратковременного действия (переснаряжение ИРТ) производится в основном аналогично перезарядке артиллерийкского орудия.

После загрузки контейнера с топливом в камеру сгорания ИРТ оператор с пульта управления включает привод механизма поворота крышки 2 на петлях 11 вокруг оси 12, который вращает крышку 2 до соприкосновения уплотняемой поверхности последней с резиновым кольцом 25 на корпусе 1 (фиг. 4). При этом кремальерное кольцо 6 расположено таким образом, что его пазы "б" (фиг. 5) пропускает выступы крышки "в" (фиг. 6) и саму крышку 2 внутрь кольца 6. Притягивание крышки 2 к корпусу 1 для поджатия резинового кольца 25 производится включением привода поворота кремальерного кольца 6, механизм которого поворачивает кремальерное кольцо 6 на окружную длину одного кремальерного выступа. При вращении кольца 6 по нарезке на корпусе 1 его кремальерные выступы, во-первых, надвигаются на выступы крышки, во-вторых, смещают крышку 2 вдоль оси корпуса 1 вправо до соприкосновения их торцевых поверхностей (см. фиг. 2, 4). При этом резиновое кольцо 24 зажато в конусной фаске, а кремальерные выступы "в" крышки 2 полностью перекрыты выступами "а" кольца 6. От поворота вокруг оси корпуса 1 под действием момента сил трения при взаимодействии с кольцом 6 крышку удерживают петлевые пары 10, 11 элементами 10.

Уплотнительное кольцо 25 защищено от попадания на него продуктов сгорания топлива и от механического повреждения при перезарядке ИРТ.

Единственной ручной операцией при снаряжении ИРТ остается установка пиропатронов 18 байонетного типа в передней крышке 2.

Пуск осуществляют подачей на пиропатроны 18 электрического импульса. При этом также включают систему охлаждения ИРТ жидким хладагентом, которая обеспечивает прокачку охлаждающей жидкости через каналы охлаждения 20 и 23 соответственно корпуса 1, задней крышки 3 и сопла 22.

Приведенная конструкция контейнера для ТПТ исключает загрязнение шлаком камеры сгорания ИРТ. Коническая насадка 15 механически закрывает поверхность задней крышки 3 от осаждения на нее продуктов сгорания, а воротник 16 из аблирующего материала предотвращает отложение конденсированной фазы на поверхности дозвуковой части сопла 22 и снижает температуру всего сопла во время пуска.

После сгорания заряда топлива затвор открывают. Включают привод кремальерного кольца 6 (колько вращают на окружную длину кремальерного выступа в обратном направлении). При этом кремальерные выступы "а" кольца располагаются напротив пазов "г" крышки 2, а выступы "в" крышки - напротив пазов "б" кремальерного кольца. Далее крышку 2 открывают с помощью ее электропривода. Извлекают из камеры сгорания отработанный контейнер 4, после чего ИРТ готов принять следующий контейнер с топливом.

В отличие от пуска МГДГ с прототипом ИРТ в приведенной схеме снаряжения ИРТ отсутствуют чрезвычайно трудоемкие и продолжительные операции:
1) очистка прочного корпуса ИРТ от шлака, оставшегося внутри корпуса после выгорания топлива;
2) сборка каждого ИРТ на специально для этого приспособленном участке снаряжения невдалеке от пусковой площадки;
3) перемещение подъемником ИРТ с массой около 600 кг при его монтаже на стапеле МГДГ;
4) юстировка ИРТ вручную при помощи люнетов и подъемника при каждой установке на стапеле;
5) стыковка и расстыковка болтового фланцевого соединения ИРТ с МГД - каналом при каждом пуске генератора;
6) закрепление ИРТ на стапеле посредством упорного винта и переходных металлических конструкций.

При работе с прототипом ИРТ эти операции не представляется возможным исключить или механизировать не изменив радикально его конструкции.

Предложенный ИРТ дает возможность применить эффективные средства механизации и автоматизации всех операций подготовки ИРТ к пуску: подачу контейнеров с зарядами со склада взрывчатых материалов к ИРТ, механическую загрузку контейнера с топливом в камеру сгорания ИРТ, извлечение из камеры сгорания использованного контейнера, утилизацию использованных контейнеров и др.

Каждая из приведенных операций подготовки предложенного ИРТ к пуску по длительности может составлять секунды, включая доставку контейнеров от склада до места пуска.

Таким образом, общее время подготовки предложенного ИРТ к пуску определяется не длительностью его снаряжения, а непосредственно не связанными с ИРТ вспомогательными операциями. При необходимости время подготовки к пуску ИРТ может быть приближено ко времени подготовки выстрела из артиллерийского орудия соответствующего калибра.

Литература:
1. Геоэлектрические исследования с мощным источником тока на Балтийском щите. Отв. ред. академик Е.П.Велихов. - М.: Наука, 1989.

2. MHD Installaition for Gas and Oil Electrosearching on the Sea Shelf. Proc 12 th IC on MHD. Japan, Yokohama, 1996, Vol. 1, p.p. 586-594.

3. Жуков И.И. и др. Артиллерийское вооружение. Основы устройства и конструирования. - М: Машиностроение, 1975, с. 419.

4. Babakov Ju., Eremenko V., Krivosheev.N. et al. Powerful Self-contained Solid Propellant Fueled MHD Generator "SOJUZ" for Area and Deep Geolectical prospecting. Proc. 12th IC on MHD. Japan, Yokohama, 1996, Vol. 1, p. p. 445-450.

5. Прасолов С.Н., Амитин М.Б. Устройство подводных лодок. - М.: Военное издательство МО СССР, 1973, 307 с.

Изобретение относится к генераторам плазмы и может быть использовано в качестве источника рабочего тела для МГД-генераторов повторно-кратковременного действия (ПКД), которые могут применяться в качестве мощного источника тока для глубинного зондирования земной коры. Источник рабочего тела МГД-генератора содержит корпус с передней и задней крышками на торцах, сверхзвуковое сопло, заряд и систему воспламенения с воспламенителем и средством инициирования воспламенения, которое размещено в передней крышке, передняя крышка прикреплена к корпусу разъемным соединением. В источник рабочего тока введен несгораемый контейнер, закрытый со стороны одного торца конической насадкой, а с другой - дном, заряд размещен в контейнере, который установлен в корпусе так, что его дно обращено к передней крышке. На внутренней поверхности конической насадки закреплен воротник, выполненный из аблирующего материала. Воспламенитель установлен в дне контейнера, а в качестве разъемного соединения передней крышки с корпусом использован кремальерный затвор, при этом передняя крышка закреплена на корпусе дополнительным петлевым дверным соединением и в ней выполнены выступы, входящие в зацепление с ответными выступами кремальерного кольца, а на корпусе нанесена резьба для соединения с кремальерным кольцом. В корпусе, задней крышке и сверхзвуковом сопле выполнены каналы охлаждения. Изобретение позволяет сократить время подготовки ИРТ к пуску и таким образом осуществить повторно-кратковременный режим работы МГД-генератора, а также увеличить ресурс работы. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Источник рабочего тела МГД-генератора, содержащий корпус с передней и задней крышками на торцах, сверхзвуковое сопло, заряд и систему воспламенения с воспламенителем и средством инициирования воспламенения, которое размещено в передней крышке, сверхзвуковое сопло установлено в задней крышке, передняя крышка прикреплена к корпусу разъемным соединением, отличающийся тем, что в него введен несгораемый контейнер, закрытый со стороны одного торца конической насадкой, а с другой - дном, заряд размещен в контейнере, который установлен в корпусе так, что его дно обращено к передней крышке, на внутренней поверхности конической насадки закреплен воротник, выполненный из аблирующего материала, воспламенитель установлен в дне контейнера, а в качестве разъемного соединения передней крышки с корпусом использован кремальерный затвор, при этом передняя крышка закреплена на корпусе дополнительным петлевым дверным соединением и в ней выполнены выступы, входящие в зацепление с ответными выступами кремальерного кольца, а на корпусе имеется резьба для соединения кремальерного кольца с корпусом. 2. Источник рабочего тела МГД-генератора по п.1, отличающийся тем, что в корпусе, задней крышке и сверхзвуковом сопле выполнены каналы охлаждения.