ЗАРЯД ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/22 

Патентуемое изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при проектировании, отработке и изготовлении твердотопливных зарядов для газогенераторов (ТТГГ), турбогенераторных источников питания (ТГИП), пороховых аккумуляторов давления (ПАД) и других механизмов жизнеобеспечения ракетной и другой техники, используемой в широком диапазоне температур от + 80 до -80^oC.

Особенностью ТТГГ, ТГИП и ПАД, длительно работающих в широком диапазоне температур, являются большие начальные теплопотери при низкой температуре окружающей среды. И в то же время в этот самый начальный момент работы требуется повышенный газоприход для преодоления начальных сопротивлений при запуске газовых турбин. К тому же обычно для проектирования твердотопливных зарядов выставляется требование по обеспечению надежной его работы при относительно низком уровне рабочего давления в камере сгорания ТТГГ, ТГИП и ПАД - 18...40 кгс/см².

Таким образом, с одной стороны создаются условия, затрудняющие воспламенение и выход на рабочий режим твердотопливных зарядов указанной номенклатуры. С другой стороны, для обеспечения длительного функционирования ТТГГ, ТГИП и ПАД требуется использовать медленногорящее твердое топливо, само по себе трудно поддающееся воспламенению.

Ко всему сказанному, выставляются высокие требования к чистоте продуктов сгорания, что диктуется обеспечением высокой надежности работы турбины.

Практика разработки зарядов к ТТГГ, ТГИП и ПАД показала, что задача обеспечения воспламенения и надежного выхода на рабочий режим зарядов является наиболее трудной при создании узлов жизнеобеспечения ракетной техники.

Разработка твердотопливных зарядов для ТТГГ, ТГИП и ПАД показывает, что даже после воспламенения, при выходе на рабочий режим имеют место немало случаев загасания зарядов. В результате исследований установлено (Саммерфилд М. Исследование ракетных двигателей на твердом топливе. М.: Издательство иностранной литературы, 1963), что гашение является следствием резкого, за 0,01. . . 0,20 с, падения давления в камере сгорания в 2-3 раза после достижения начального пика от сгорания воспламенителя и торцевой разделки заряда из-за недостаточной толщины прогретого слоя заряда из медленногорящего топлива. Прогретый слой, необходимый для стабильного горения заряда, обеспечивается после 2 секунд его горения.

Таким образом, для надежного выхода заряда на рабочий режим необходимо поддерживать достаточно высокий уровень начального давления в камере сгорания ТТГГ, ТГИП и ПАД (более 50 кгс/см²) и плавное, не менее чем за 2 секунды, снижение этого давления до рабочего уровня 18...40 кгс/см².

К настоящему времени существуют различные решения задачи по обеспечению надежного выхода на рабочий режим твердотопливных зарядов ТТГГ, ТГИП и ПАД при низких температурах.

Для решения указанной задачи по патенту США 3667396 используется воспламенитель с навеской пиротехнического состава. Однако вследствие высокой температуры его продуктов сгорания (на 1000 К выше таковых дымного пороха) и большого количества шлаков (60...90%) происходит либо зашлаковывание фильтров, либо их прогорание. Для исключения этого требуются специальные меры, в частности охладители или дорогостоящие очистные устройства, что неприемлемо во многих случаях.

Конструкция заряда по патенту США 3069844, включающая пороховые элементы быстрогорящего топлива, закрепленные в углублениях заряда с помощью нитей накаливания электроцепи, сложна в производстве и ненадежна в эксплуатации по причине возможного повреждения электроцепи.

В качестве прототипа патентуемого заряда выбран заряд, который представляет собой цилиндрическую бесканальную бронированную по наружной поверхности и одному торцу шашку твердого топлива (Шишков А.А.. Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. М. : Машиностроение, 1981, с. 78-79, рис. 4.2.).

На фиг.1 изображен фрагмент прототипа со стороны небронированного торца:
1 - топливо;
2 - бронепокрытие;
3 - кольцевой выступ горящего торца.

На фиг.2 показана кривая изменения горящей поверхности (S) такого заряда в зависимости от горящего свода (е):
4 - начальная поверхность заряда;
5 - поверхность горения, обеспечивающая рабочий режим.

Повышенная начальная поверхность горения (4) резко снижается до рабочего уровня (5).

На фиг. 3 изображена обеспечиваемая таким зарядом кривая изменения давления (Р) пороховых газов в камере сгорания прототипа в зависимости от времени (t) работы:
6 - начальный пик давления;
7 - давление при рабочем режиме.

Ясно, что при использовании медленногорящего топлива при таком перепаде давления не будет обеспечиваться надежный выход заряда на рабочий режим.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение плавного перехода от повышенного начального уровня поверхности горения к рабочему за время не менее 2 секунд с тем, чтобы при повышенном уровне давления в камере сгорания образовался прогретый слой заряда необходимой для надежного горения толщины.

Технический результат достигается за счет профилирования горящего торца заряда твердого топлива для газогенераторов, выполненного в виде цилиндрической бесканальной шашки, бронированного по наружной поверхности и одному торцу, таким образом, чтобы увеличенный в начальный период работы ТТГГ, ТГИП и ПАД газоприход за счет поверхности горения плавно, в течение не менее 2 секунд, уменьшился до рабочего уровня. Для этого кольцевой выступ на поверхности горящего торца заряда выполнен в продольном сечении заряда в виде равнобочной трапеции с углом у основания 45^o и отношением большего и меньшего диаметров основания и высоты трапеции к диаметру заряда по топливу, равным 0,80...0,95; 0,30...0,40; 0,08...0,10 соответственно.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами.

На фиг.4 показан патентуемый заряд в разрезе
1 - топливо;
2 - бронепокрытие;
3 - кольцевой выступ.

На фиг. 5 показан фрагмент предлагаемого заряда со стороны горящего торца:
1 - топливо;
2 - бронепокрытие;
8 - поверхность кольцевого выступа;
9 - фронт горения заряда после сгорания 5 мм;
10 - фронт горения заряда после сгорания 15 мм;
11 - фронт горения заряда после сгорания 30 мм.

Пунктиром изображено изменение положения и профиля фронта горения заряда при сгорании 5 мм (9), 15 мм (10), 30 мм (11).

На фиг.6 представлена поверхность горения (S) заряда в функции горящего свода (е).

Как следует из приведенной кривой, начальная повышенная поверхность горения, обеспечивающая увеличенный газоприход для преодоления начальных сопротивлений газотурбины и тепловых потерь, плавно переходит к рабочему уровню характеристик, исключая резкий перепад давления.

В патентуемом заряде к моменту сгорания 20% свода начальная поверхность уменьшается всего на 5%, а при сгорании свода наполовину - на 10%. То есть, патентуемый заряд исключает резкий перепад давления, а следовательно, и загасание заряда при его выходе на рабочий режим при использовании медленногорящего топлива, например НДП-5А, при температуре до минус 60^oC.

Предложенный заряд твердого топлива испытан и опробован в газогенераторе ГР-2РС на Пермском заводе им. С.М. Кирова.

Заряд твердого топлива для газогенераторов, турбогенераторных источников питания, пороховых аккумуляторов давления и других механизмов жизнеобеспечения ракетной и другой техники выполнен в виде цилиндрической бесканальной шашки, бронированной по наружной поверхности и одному торцу. На поверхности горящего торца выполнен кольцевой выступ, имеющий в сечении вид равнобочной трапеции с углом у основания 45^o и отношением большего и меньшего диаметров основания и высоты трапеции к диаметру заряда по топливу, равным 0,80. . . 0,95, 0,30...0,40, 0,08...0,10 соответственно. Изобретение позволит обеспечить образование прогретого слоя заряда толщиной, необходимой для надежного горения заряда при повышенном уровне давления в камере сгорания. 6 ил.

Заряд твердого топлива для газогенераторов, выполненный в виде цилиндрической бесканальной шашки, бронированной по наружной поверхности и одному торцу, отличающийся тем, что в нем на поверхности горящего торца выполнен кольцевой выступ, имеющий в сечении вид равнобочной трапеции с углом у основания 45^o и отношением большего и меньшего диаметров основания и высоты трапеции к диаметру заряда по топливу, равным 0,80. . . 0,95, 0,30. . . 0,40, 0,08. . . 0,10 соответственно.