УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ОБРАЗЦА ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК F23N5/08 

Изобретение относится к технике испытаний горючих материалов, а именно к устройствам для измерения скорости горения образцов топлива, горящего параллельными слоями, например, полимерного композиционного материала (ПКМ).

Известно устройство для измерения скорости горения ПКМ, содержащее герметичную камеру сгорания, размещенный в ней в бронированном стакане образец ПКМ с двумя сигнальными металлическими нитями, расположенными на известном контрольном расстоянии Δl друг от друга в отверстиях, просверленных в образце перпендикулярно его оси, многоканальный регистратор с отметчиком времени (1).

Данное устройство является малоэффективным, так как обеспечивает за один опыт получение только одного значения скорости горения U путем деления длины контрольного участка Δl на время Δt между регистрируемыми многоканальным регистратором моментами перегорания металлических нитей при движении фронта горения

Известно также устройство для измерения скорости горения ПКМ, содержащее герметичную камеру сгорания с размещенным в ней в бронированном стакане образцом топлива торцевого горения и светопроводом, выполненным из материала, прозрачного в видимой и ИК-областях спектра, и установленным внутри образца по оси последнего, с расположением входа и выхода соответственно со стороны открытого и термоизолированного торцов образца топлива, приемник излучения, установленный напротив выходного конца светопровода, регистратор с отметчиком времени (2).

Наиболее близким к заявляемому является устройство для измерения скорости горения образца топлива (3). Устройство содержит герметичную камеру сгорания с размещенным в ней в бронированном стакане образцом топлива торцевого горения и светопроводом с рядом отверстий, расположенных на известном расстоянии друг от друга. Геометрические оси отверстий перпендикулярны геометрической оси светопровода, выполненного из прозрачного в видимой области спектра материала и сублимирующего в зоне горения со скоростью, равной скорости горения образца топлива. Светопровод установлен по оси стакана с расположением входа и выхода со стороны открытого и термоизолированного торцов образца. Устройство содержит также приемник излучения, установленный напротив выходного конца светопровода, фотоусилитель и регистратор с отметчиком времени.

Однако данное устройство для измерения скорости горения имеет существенный недостаток - пониженная информативность устройства при высокой неравномерности скорости горения образца топлива ПКМ. Это происходит из-за резкого уменьшения числа значений скорости горения, определяемых за одно испытание. Это затрудняет оценку неравномерности горения топлива в процессе сжигания и приводит к необходимости проводить дополнительно большое количество огневых испытаний образцов топлива из данного ПКМ, чтобы установить закон горения последнего.

Низкая информативность обусловлена тем, что при высокой неравномерности процесса горения из-за возрастания интенсивности флуктуаций температуры пламени в зоне горения уменьшается разрешающая способность устройства-прототипа (снижается отношение "сигнал/шум") и, следовательно, возрастает трудность выделения полезного сигнала из регистрируемого на осциллограмме сигнала приемника излучения многочастотного колебательного процесса, соответствующего флуктуациям температуры.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего осуществлять измерение скорости горения при любой степени неравномерности процесса горения и обеспечивающего получение максимального числа результатов измерения скорости горения за один опыт.

Задача решается за счет того, что в известном устройстве для измерения скорости горения образца топлива, содержащем герметичную камеру сгорания с размещенным в ней образцом топлива торцевого горения, расположенным внутри бронированного стакана, и установленным по оси стакана с расположением входа и выхода со стороны открытого и термоизолированного торцов образца топлива, светопроводом с рядом отверстий, геометрические оси которых перпендикулярны геометрической оси светопровода, выполненного из материала, прозрачного в видимой области спектра и сублимирующего в зоне горения, приемник излучения, установленный напротив выходного конца светопровода, фотоусилитель и регистратор с отметчиком времени, в каждом отверстии светопровода размещена микродоза объемом от 0,0001 до 0,001 см³ химического соединения добавочного элемента щелочной группы, а между выходным концом светопровода и приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части резонансной спектральной линии добавочного элемента.

К числу элементов щелочной группы относятся металлы: цезий, калий, литий, натрий. Все эти элементы имеют низкий потенциал возбуждения и дают интенсивное излучение прежде всего в виде резонансной линии спектра. Наиболее сильно излучает центральная часть линии, достигающая насыщения (т.е. излучающая как абсолютно черное тело с коэффициентом черноты излучения ε_λ= I) при достаточной концентрации добавочного элемента. При этом требуемые добавки щелочного элемента настолько малы, что они не влияют на кинетику процесса горения топлива (5). Так, при использовании в качестве добавочного элемента натрия насыщенное излучение центральной части резонансной линии натрия с длиной волны λ_рез= 0,5893 мкм достигается при концентрации атомов натрия в пламени 10¹³-10¹⁴ атомов в 1 см³ и температурах порядка 2000 К (4). Температуры горения большинства современных ПКМ превышают указанное значение температуры ионизации атомов натрия. Поэтому все атомы натрия в зоне горения топлива будут находиться в ионизированном состоянии. Масса атомов натрия в микродозе химического соединения натрия, например хлористого натрия, помещаемая в каждое отверстие светопровода и обеспечивающая концентрацию 10¹³-10¹⁴ атомов натрия в 1 см³, при проникновении фронта горения в любое отверстие светопровода составляет 3,82•10^-10÷3,82•10^-9 г, а их объем - 3,94•10^-10÷3,94•10^-9 см³.

Это очень малые величины. Поэтому микродоза хлористого натрия объемом порядка 0,0001-0,001 см³, размещенная в каждом отверстии светопровода, легко обеспечит требуемый минимум по концентрации 10¹³-10¹⁴ атомов натрия в 1 см³ пламени. Очевидно, что в этом случае прохождение фронтом горения каждого из отверстий светопровода будет сопровождаться значительным скачкообразным увеличением спектрального потока Φ_рез излучения пламени, соответствующего длине волны λ_рез= 0,5893 мкм, поскольку спектральный коэффициент черноты излучения для насыщенной центральной части резонансной линии ε_λ= 0,5893 = 1 и во много раз превышает значения спектрального коэффициента излучения для других длин волн. Установка монохроматического фильтры с длиной волны пропускания λ_рез= 0,5893 мкм обеспечивает прохождение на приемник излучения преимущественно спектрального потока Φ_рез, соответствующего длине волны λ_рез= 0,5893 мкм, и сильное подавление спектральных потоков излучения, соответствующих другим длинам волн.

Таким образом, размещение в отверстиях светопровода микродоз химического соединения добавочного элемента щелочной группы и установка между выходным концом светопровода и приемником излучения монохроматического фильтра позволяют увеличить разрешающую способность устройства для измерения скорости горения как за счет увеличения регистрируемого полезного сигнала, обусловленного возросшим спектральным потоком Φ_рез, так и за счет снижения шумов, соответствующих спектральным потокам с длинами волн, отличными от длины волны λ_рез= 0,5893 мкм.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения скорости горения образца топлива. На фиг.2 показаны осциллограммы сигналов приемника излучения (кривая 1) и отметчика времени (кривая 2).

Устройство содержит образец топлива 1 с установленным по его оси светопроводом 2 с рядом отверстий, в которых размещены микродозы 10 химического соединении добавочного элемента щелочной группы, причем образец покрыт по боковой поверхности бронирующим покрытием 3, за исключением переднего торца, и помещен в камеру сгорания большого объема 4, заполненную инертным газом под определенным давлением Р_с.

Давление Р_с контролируется датчиком давления 5 (например, типа ЛХ-410). На одной оптической оси со светопроводом 2 размещены монохроматический фильтр 11 и приемник излучения 6 (например, типа ФД-9Э111), сигнал которого усиливается фотоусилителем 7, выполненным на основе известной схемы, приведенной на с. 35 (5). Выход фотоусилителя и датчик давления через тензостанцию 6 подключены к отдельным входам многоканального регистратора 9 с отметчиком времени (например, светолучевого осциллографа Н-700). Регистратор осуществляет запись во времени усиленных сигналов приемника излучения h_ic= f(t), датчика давления h_ig=f(t) и отметчика времени в виде синусоидальной кривой с периодом Δ = 0,02c. (фиг.2).

Устройство работает следующим образом. При воспламенении с помощью электрозапала открытой (передней) поверхности образца топлива из ПКМ начиняется процесс горения образца параллельными слоями, при котором фронт горения, оставаясь перпендикулярным оси образца, перемещается влево. При достижении фронтом горения переднего торца светопровода, выполненного из оргстекла, поток излучения Φ_io из фронта горения выводится через светопровод 2 и монохроматический фильтр 11 в виде спектрального потока Φ_iλ = 0,5893 к приемнику излучения 6, который формирует пропорциональный потоку электрический сигнал, отображаемый на осциллограмме (кривая 1 на фиг.2) в виде отклонений h_ic от нулевой линии, прописанной на фотоленте при отсутствии потока Φ_io.
Светопровод, как и в устройстве-прототипе, выполнен из оргстекла марок СОЛ или СТ.(6), сублимирующего (минуя стадию плавления) при высоких температурах (1500^oС и выше) в зоне горения ПКМ с образованием газообразных продуктов, очищающих поверхность светоприемного конца светопровода от загрязнений. В связи с низкой теплопроводностью ПКМ сублимирует только тонкий слой светопровода, находящийся в реакционном слое, где, собственно, и протекает процесс горения. При этом оргстекло сохраняет свою прозрачность в процессе горения топлива. Однако коэффициент пропускания светопровода по причине непрерывного укорочения светопровода, происходящего синхронно с укорочением образца топлива, непрерывно возрастает, что приводит к непрерывному возрастанию потока излучения Φ_iλ = 0,5893 электрического сигнала на выходе приемника излучения и ординаты h_ic на осциллограмме h_ic=f(t).

Так как в светопроводе имеются отверстия с размещенными в них микродозами добавочного элемента щелочной группы, то при достижении фронтом горения каждого из отверстий наблюдается мгновенное изменение потока излучения Φ_io как из-за различия оптических свойств материала светопровода и газа, находящегося в плоскости отверстия, так и по причине мгновенной ионизации атомов добавочного элемента, создающих собственный поток излучения Φ_рез.
Это изменение вызывает появление на кривой 1 (фиг.2) остроконечного импульса (пика), причем число пиков соответствует числу отверстий в светопроводе.

Измерив на осциллограмме интервалы времени Δti, соответствующие соседним пикам, и зная расстояние Δli между соседними отверстиями, находят значения скорости горения

для разных участков сгоревшего образца топлива.

При большом количестве отверстий в светопроводе число получаемых значений U_i также значительно, что обеспечивает увеличение объема измерительной информации, получаемой за одно огневое испытание образца топлива. Это, в свою очередь, позволяет оценить неравномерность горения топлива в процессе сжигания образца, сократить сроки и стоимость испытаний, связанных с установлением закона горения ПКМ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИKOВ ИНФОРМАЦИИ
1. Синаев К. И., Казбан Б.М. Лабораторные работы по внутренней баллистике. Казань: Изд-во Казанского химико-технологического института, 1968.

2. Игнатьев Б.С., Игнатьев M.Б., Дадиомов Ю.Р., Стафейчук Б.Г., Ямов А. И. Усовершенствованный фотоэлектрический метод измерения скорости горения полимерных композиционных материалов // Международная научно-техн. конференция "Перспективные химические технологии и материалы" (тезисы докладов). Пермь, 1997.

3. Патент РФ 2122683 "Устройство для измерения скорости горения образца топлива".

4. Гордов A.Н. Измерение температур газовых потоков. Л.: Машгиз, 1961.

5. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. Киев: Техника, 1983.

6. Мельников Ю.Ф. Светотехнические материалы. М.: Высшая школа, 1976.

Устройство предназначено для измерения скорости горения образцов топлива. Устройство состоит из герметичной камеры сгорания с размещенными в ней образцом топлива торцевого горения, расположенного внутри бронированного стакана, и светопроводом с рядом отверстий. Светопровод установлен по оси стакана с расположением входа и выхода со стороны открытого и термоизолированного торцов образца топлива. Геометрические оси отверстий светопровода перпендикулярны геометрической оси светопровода. Светопровод выполнен из материала, прозрачного в видимой области спектра и сублимирующего в зоне горения. Приемник излучения установлен напротив выходного конца светопровода. Устройство также содержит фотоусилитель и регистратор с отметчиком времени. В каждом отверстии светопровода размещена микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы объемом 0,0001 - 0,001 см³, а между выходным концом светопровода и приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части резонансной спектральной линии добавочного элемента. Устройство позволяет осуществлять изменение скорости горения при любой степени неравномерности процесса горения и обеспечить получение максимального числа результатов измерения скорости горения за один опыт. 2 ил.

Устройство для измерения скорости горения образца топлива, содержащее герметичную камеру сгорания с размещенными в ней образцом топлива торцевого горения, расположенного внутри бронированного стакана, и установленным по оси стакана с расположением входа и выхода со стороны открытого и термоизолированного торцов образца топлива, светопроводом с рядом отверстий, геометрические оси которых перпендикулярны геометрической оси светопровода, выполненного из материала, прозрачного в видимой области спектра и сублимирующего в зоне горения, приемник излучения, установленный напротив выходного конца светопровода, фотоусилитель и регистратор с отметчиком времени, отличающееся тем, что в каждом отверстии светопровода размещена микродоза химического соединения добавочного элемента щелочной группы объемом 0,0001 - 0,001 см³, а между выходным концом светопровода и приемником излучения установлен монохроматический фильтр с длиной волны пропускания, равной длине волны насыщенной центральной части резонансной спектральной линии добавочного элемента.