СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК F17C7/00 F17D3/01 

Изобретение относится к газовому машиностроению и более конкретно к способам и устройствам распределения расхода газа из емкости высокого давления по нескольким потребителям в условиях высокого стабилизированного общего расхода и с опорожнением емкости высокого давления в течение ограниченного времени. Такие способы и устройства находят применение при испытаниях моделей в высокоскоростных аэродинамических трубах, в системах пожаротушения с помощью инертных газов, в устройствах разбавления аварийных выбросов ядовитых веществ в химической промышленности, а также в системах дожигания продуктов неполного сгорания твердых ракетных топлив воздухом, подаваемым из емкостей высокого давления, при утилизации зарядов твердых ракетных топлив сжиганием в корпусе без сопла на установке утилизации закрытого типа.

При подаче газа из емкости в магистраль потребителя через ограничитель расхода со звуковым истечением (сопло, диафрагма) постоянного проходного сечения в емкости высокого давления будет происходить падение давления со снижением расхода, поскольку при звуковом истечении массовый расход является функцией давления перед соплом

где Р - давление перед соплом;

F - площадь критического сечения сопла;

Г - функция показателя адиабаты газа;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура.

Известен способ кратковременной подачи большого расхода воздуха из емкости высокого давления или баллонной группы через быстродействующий пусковой кран в аэродинамическую трубу высоких скоростей. При этом время действия такой трубы ограничено временем падения расхода в пределах допуска, так что большая часть накопленного запаса воздуха не используется [1].

Известны способы подачи газа из емкости высокого давления в магистраль потребителя через газовый редуктор давления, дросселирующее проходное сечение которого изменяется в зависимости от давления в емкости и усилия пружин, поддерживая, таким образом, заданный постоянный расход [2]. Известны варианты этого способа, при которых регулирующий клапан имеет электрический привод и изменение проходного сечения между золотником и седлом осуществляется за счет перемещения золотника электромоторным приводом. Команды на электропривод вырабатываются с помощью датчиков давления на приемнике газа и преобразователя сигналов. В этом случае масса золотника не оказывает существенного влияния, но скорость перемещения зависит от динамических характеристик электродвигателя, передаточного отношения шестеренчатого редуктора и свободного хода редуктора [3]. Общим недостатком данного способа является инерционность подвижного органа газового редуктора с мощными пружинами и большая масса при высоких расходах и диаметрах магистрали, например, при диаметре магистрали 400 мм и расходе 300-400 кг/с.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является способ и устройство подачи инертного газа пожаротушения, например азота или азотовоздушной смеси, к нескольким пожароопасным объектам при расходовании газа из емкости высокого давления. Устройство содержит емкость высокого давления, распределитель газа и трубопроводы к отдельным пожароопасным объектам, снабженные отдельными запирающими и газораспределяющими устройствами [4]. При этом не ставится требование стабилизации общего расхода на уровне всегда выше номинального, но с минимальным превышением. Недостатком такого распределения газа является снижение расхода к отдельным объектам в зависимости от времени и отбора газа на другие объекты.

Технической задачей, решаемой в настоящем изобретении, являлось создание способа и устройства для его осуществления, обеспечивающих непрерывное истечение воздуха или газа из емкости высокого давления со стабилизированным общим расходом на уровне всегда выше номинального, но с минимальным превышением, кратность которого объему емкости по постоянной времени истечения составляет десятки или сотни секунд. Постоянная времени истечения (характеристическое время) определяется

где V - объем емкости высокого давления;

F_кр - площадь критического сечения выходного сопла;

а_нач - скорость звука в воздухе в исходном состоянии емкости высокого давления.

Такая техническая задача была поставлена при модификации стенда утилизации ракетных двигателей на твердом топливе путем сжигания в бессопловом варианте, описанным в книге Л.В.Забелин, Р.В.Гафиятуллин, А.Н.Поник, В.Ю.Мелешко. Основы промышленной технологии утилизации крупногабаритных твердотопливных зарядов. - М.: Недра, 2004, с.83-88. Экологически безопасный вариант стенда предусматривает дожигание и нейтрализацию продуктов неполного сгорания в газожидкостном эжекторе с подачей воздуха дожигания из емкостей высокого давления. Воздух в газожидкостный эжектор (ГЖЭ) должен поступать с таким номинальным расходом, чтобы обеспечивалось практически полное дожигание. Однако опорожнение емкостей высокого давления через простые запорные устройства не позволяет обеспечить стабильный расход воздуха в газожидкостный эжектор, так что, например, при постоянном расходе продуктов неполного сгорания полнота дожигания будет изменяться от требуемой до недостаточной или, в другом варианте, объем подаваемого воздуха дожигания будет избыточным практически в течение всего времени горения твердого топлива, но для этого потребуется существенно завышенный исходный объем воздуха в емкости высокого давления, а газожидкостный эжектор будет работать при завышенных скоростных режимах, в результате чего время пребывания газа и воздуха в канале газожидкостного эжектора для осуществления полного дожигания будет недостаточным. Кроме того, значительная часть запаса воздуха не будет использована.

Решение поставленной технической задачи было достигнуто тем, что в способе распределения расхода газа по потребителям в системе, состоящей из источника газа высокого давления и соединенных с ним трубопроводов потребителей, включающем подачу газа из емкости высокого давления по трубопроводам потребителей, отличающийся тем, что соединяют через задвижку выход емкости конечного объема с коллектором, воздух из которого в первый питательный трубопровод подают через первое звуковое сопло и установленное за ним пусковое запорное средство, а в остальные питательные трубопроводы воздух подают через второе и последующие звуковые сопла с установленными за ними безударными безосколочными пиромембранами, воздух из каждого питательного трубопровода распределяют по всем потребителям через соответствующие секции потребления, безударные безосколочные пиромембраны прорывают принудительно по сигналам датчика давления на емкости высокого давления, причем распределение давлений срабатывания датчика задают с помощью выбора коэффициентов настройки, определяющих расчетные снижения давлений и расходов через проходные сечения звуковых сопел к концам расчетных временных участков периода работы устройства распределения расхода газа, число питательных трубопроводов равно числу расчетных временных участков, при открытии пускового запорного устройства первого трубопровода начальный расход газа задают выше номинального в соответствии с коэффициентом настройки, перед прорывом первой и каждой следующей безударной безосколочной пиромембраны расход принимают равным номинальному, после прорыва безударной безосколочной пиромембраны расход завышают на коэффициент настройки, отсечку опорожнения производят закрытием задвижки перед коллектором. При открытии запорного устройства расход газа задают в 1,5 раза выше номинального. Коэффициенты настройки задают одинаковыми по всем временным участкам периода работы устройства распределения расхода газа. Коэффициенты настройки задают различными по временным участкам периода работы устройства распределения расхода газа.

Устройство распределения расходов газа по потребителям, содержащее емкость высокого давления и трубопроводы потребителей с запорными и распределительными средствами, отличающееся тем, что емкость высокого давления соединена через задвижку с коллектором, к которому подсоединены питательные трубопроводы, первый питательный трубопровод снабжен первым звуковым соплом и вниз по потоку от него пусковым запорным средством, второй и последующие питательные трубопроводы снабжены вторым и последующими звуковыми соплами и вниз по потоку от них безударными безосколочными пиромембранами, каждый питательный трубопровод делится на трубы по числу потребителей, к каждому потребителю подсоединены трубы от каждого питательного трубопровода. Второй и последующие трубопроводы потребителей вниз по потоку от безударных безосколочных пиромембран соединены с первым трубопроводом потребителя через жиклеры создания противодавления в выходных коллекторах потребителей.

Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого способа показывает, что отличительными существенными признаками предложения являются такие, в соответствии с которыми:

- выход емкости высокого давления через задвижку соединяют с коллектором;

- воздух из коллектора в первый питательный трубопровод подают через пусковое запорное средство и установленное за ним звуковое сопло;

- воздух из коллектора в остальные питательные трубопроводы подают через звуковые сопла и установленные за ними пиромембраны;

- воздух из каждого питательного трубопровода распределяют по всем потребителям через секции потребления;

- мембраны прорывают принудительно по сигналам от датчика давления на емкости высокого давления.

Сущность настоящего изобретения будет понятна из рассмотрения чертежей, где:

фиг.1 представляет общую схему подачи воздуха в газожидкостный эжектор по настоящему изобретению;

фиг.2 показывает график снижения давления в емкости высокого давления при поддержании общего постоянного расхода в ГЖЭ с помощью пиромембран совместно со звуковыми соплами,

фиг.3 представляет расчетные расходы воздуха при нерегулируемом истечении из емкости высокого давления и истечении через последовательно по времени подключаемые звуковые сопла по настоящему предложению в сравнении с расходом продуктов сгорания и требуемого для них номинального расхода воздуха,

и следующего описания примера выполнения изобретения.

Как показано на фиг.1, система подачи воздуха дожигания модифицированного стенда утилизации ракетных двигателей на твердом топливе путем сжигания в бессопловом варианте включает газожидкостный эжектор 1 с тремя секциями 2, 3, 4 подачи воздуха дожигания, батарею емкостей высокого давления 5, соединенную через задвижку 6 с коллектором 7. От коллектора 7 отходят первый трубопровод 8 с запорным устройством 9 и первым звуковым соплом 10, второй трубопровод 11 с безударной безосколочной пиромембраной 12 и вторым звуковым соплом 13 и третий трубопровод 14 с безударной безосколочной пиромембраной 15 и третьим звуковым соплом 16. Перед газожидкостным эжектором 1, имеющим три секции подачи воздуха дожигания 2, 3, 4, каждый из трубопроводов 8, 11 и 14 разделяется на три трубы 8-2, 8-3, 8-4, 11-2, 11-3, 11-4, 14-2, 14-3, 14-4, которые подсоединяются к соответствующим секциям 2, 3 и 4. Секции 2, 3 и 4 имеют, соответственно, по три коллектора каждая с рядами распределительных выходных сопел или отверстий (не показаны) для равномерного распределения подаваемого воздуха дожигания по внутреннему объему канала газожидкостного эжектора. Батарея емкостей высокого давления снабжена датчиками давления 17 и датчиками температуры 18. Питательные трубопроводы 11 и 14 соединены через жиклеры 19 и 20 соответственно с первым питательным трубопроводом 8.

При работе модифицированного стенда утилизации по сжиганию ракетного двигателя на твердом топливе с массой топлива 25000 кг в емкость высокого давления или батарею емкостей 5 с общим объемом 2400 м³ закачивают воздух до давления 3,0 МПа. Работу стенда начинают с продувки канала газожидкостного эжектора воздухом из емкости высокого давления в течение 30 с через задвижку 6, коллектор 7 и первый трубопровод 8 с открытым пусковым запорным средством 9 и через звуковое сопло 10 с максимальным расходом в 1,5 раза от номинального расхода дожигания. После этого осуществляют воспламенение РДТТ и в канал газожидкостного эжектора поступают продукты неполного сгорания. Воздух дожигания поступает в канал газожидкостного эжектора через выходные сопла коллекторов секций 2, 3, 4 по трубам 8-2, 8-3, 8-4 от питательного трубопровода 8. По питательным трубопроводам 11 и 14 через жиклеры 19 и 20 от питательного трубопровода 8 воздух противодавления поступает по трубам 11-2, 14-2 в коллекторы секции 2, по трубам 11-3, 14-3 в коллекторы секции 3 и по трубам 11-4, 14-4 в коллекторы секции 4 для исключения заброса горячих продуктов сгорания через выходные сопла в коллекторы и разрушения сопел. При снижении давления в емкости высокого давления 5 до величины, при которой расход воздуха соответствует номинальному расходу воздуха дожигания, например, 348 кг/с, проходящему через первое звуковое сопло f], подают команду на срабатывание первой безударной безосколочной пиромембраны 12 и воздух к газожидкостному эжектору начинает поступать уже через два звуковых сопла с площадями критических сечений F₁ и F₂ по двум питательным трубопроводам 8 и 11 с увеличенным в 1,5 раза расходом по сравнению с номинальным. По трубопроводу 14 через жиклер 20 продолжает поступать воздух с малым расходом по трубам 14-2, 14-3, 14-4 в коллекторы секций 2, 3, 4 соответственно. При дальнейшем снижении давления в емкости высокого давления или батарее емкостей 5 до величины, при которой расход воздуха соответствует номинальному расходу воздуха дожигания, проходящему в сумме через звуковые сопла F₁+F₂, подают команду на срабатывание второй безударной безосколочной пиромембраны 15, и воздух дожигания к газожидкостному эжектору поступает уже через три звуковых сопла 10, 13 и 16 по трем питательным трубопроводам 8, 11, 14 с увеличенным в 1,5 раза расходом по сравнению с номинальным через суммарную площадь критических сечений F₁+F₂+F₃.

Как показано на фиг.2, в соответствии со способом весь период сжигания разделяют на несколько расчетных участков по спаду давления путем задания коэффициентов настройки, например 1,5. Коэффициент настройки определяется как отношение начального давления или начального расхода на участке к конечному давлению или расходу на участке, так как m_нач/m_кон=Р_нач/Р_кон. Чем меньше коэффициент настройки, тем ближе максимальный расход из батареи емкостей высокого давления к номинальному, однако тем больше будет и число участков спада давления в заданном периоде сжигания. На первом участке воздух поступает в ГЖЭ через минимальную площадь критического сечения F_кр′, которая обеспечивает поступление воздуха в начальный момент с некоторым избытком по отношению к номинальному расходу, например, в 1,5 раза в соответствии с коэффициентом настройки. В конце этого временного участка, когда давление в емкости высокого давления снизится в 1,5 раза, массовый расход воздуха будет равен номинальному. Второй временной участок начинается с увеличенной площадью критического сечения F′_кр+F_кр′′, например, в 1,5 раза, по отношению к F_кр′ за счет подключения в работу второго звукового сопла с F′′_кр._{В результате массовый расход возрастет до 1,5 расчетного расхода, и далее, в конце временного участка, массовый расход снизится до расчетного, если давление к этому моменту будет меньше давления в начале этого временного участка в 1,5 раза. Следующий временной участок назначается аналогично, с увеличением на коэффициент настройки площади критического сечения, например, в 1,5 раза по отношению F′кр+Fкр′′. В конце последнего временного участка массовый расход будет равен расчетному, если конечное давление будет выше давления в ГЖЭ по меньшей мере в два раза. Число питательных трубопроводов равно числу расчетных временных участков. На фиг.3 приведены изменения во времени расходов воздуха дожигания при истечении его из емкости высокого давления через одно звуковое сопло с постоянным критическим сечением и начальным расходом 522 кг/с (кривая 1), через одно звуковое сопло с начальным номинальным расходом 348 кг/с (кривая 2), через последовательно по времени подключаемые звуковые сопла по настоящему предложению (кривая 3) в сравнении с номинальным расходом воздуха, требуемым для дожигания (кривая 4) и усредненным по времени расходом продуктов сгорания (кривая 5).}

В таблице дан пример расчета площадей критических сечений по временным участкам и продолжительностей временных участков для РДТТ первой ступени с номинальным расходом воздуха 348 кг/с и начальной расчетной площадью критического сечения для номинального расхода F_кр=0,04973 м². Начальное давление в емкости высокого давления 3,0 МПа, объем емкости высокого давления 2400 м³. Мгновенное увеличение суммарной площади критических сечений может быть достигнуто с помощью снабженных безударными безосколочными пиромембранами параллельных подводов в ГЖЭ. Это не потребует больших затрат. Управление безударными безосколочными пиромембранами может быть осуществлено по расчетным временам участков с дополнительным контролем датчиками давления. При срабатывании безударных безосколочных пиромембран не образуется воздушная ударная волна и отсутствуют летящие осколки внутри трубопровода. С помощью коэффициентов настройки может быть проведена оптимизация системы подачи воздуха, например, по временным участкам, по максимальному конечному давлению в емкости высокого давления к концу сжигания, по минимальному избытку воздуха и т.п. Коэффициенты настройки по участкам могут быть как одинаковыми, так и различными.

ТаблицаПример расчета системы ступенчатого задания расхода воздуха в ГЖЭПараметрыУчастки123Коэффициент настройки1,51,51,7Начальный расход на участке, кг/с522522591,6Конечный расход на участке348348348Начальное давление на участке, МПа321,33Конечное давление на участке, МПа21,330,782F_кр на участке, м²0,074590,111890,1902Постоянная времени t_xap на участке, с97,56538,2Продолжительность участка, с68,345,5335,06

Использование относительных продолжительностей t/t_xap временных участков на диаграмме работы системы менее 1 позволяет получить практически линейную кусочно-гладкую зависимость снижения давления в емкости высокого давления от времени работы системы. Это следует из экспоненциальной зависимости опорожнения емкости от времени, разложение которой в ряд при t*<1 дает:

P*=1-At*+(At*)²/2,

где третий член разложения существенно меньше второго и может не учитываться. Здесь Р*=Р/Р_нач; t*=t/t_xap.

В отличие от устройства с работой последовательно по времени подключаемых звуковых сопел в один питательный трубопровод настоящее предложение позволяет исключить толчки расхода при срабатывании безударных безосколочных пиромембран во всех коллекторах секций потребителей, кроме одного. К тому же, пик расхода при срабатывании безударной безосколочной пиромембраны сглаживается при заполнении соответствующего питательного трубопровода, труб и коллекторов секций потребителей. Применительно к процессам дожигания продуктов сгорания это позволяет исключить проскок воздуха без взаимодействия с продуктами неполного сгорания.

Реализация настоящего предложения в конструкции стенда утилизации ракетных двигателей на твердом топливе путем сжигания в бессопловом варианте позволяет более полно использовать накопленный запас воздуха высокого давления с обеспечением высокой полноты дожигания в течение всего времени работы ракетного двигателя.

Реализация настоящего предложения в конструкции газовой системы пожаротушения огнеопасных объектов позволяет обеспечить подачу изолирующего огонь газа с высоким расходом как при обнаружении возгорания, так и в завершающий момент, что исключает вероятность повторного воспламенения.

Источники информации

1. А.К.Мартынов. Экспериментальная аэродинамика. М.: Оборонгиз 1958, стр.105, рис.5.15.

2. Н.М.Беляев, Н.П.Белик, Е.И.Уваров. Реактивные системы управления летательных аппаратов. М.: Машиностроение 1979, стр.45, рис.2.5.

3. ЕР 1336795, 2003.

4. JP 2004130054, 2004

Изобретение может быть применено в системах пожаротушения с помощью инертных или нейтральных газов, подаваемых к источнику огня из емкостей высокого давления, когда подаваемый расход изолирующего огонь газа должен быть примерно одинаковым как в начале тушения, так и в его конце. В способе распределения расходов газа в системе, состоящей из источника газа высокого давления и соединенных с ним трубопроводов потребителей, включающем подачу газа из емкости высокого давления по трубопроводам потребителей, соединяют через задвижку выход емкости конечного объема с коллектором, воздух из которого в первый питательный трубопровод подают через первое звуковое сопло и установленное за ним пусковое запорное средство, а в остальные питательные трубопроводы воздух подают через второе и последующие звуковые сопла с установленными за ними безударными безосколочными пиромембранами, воздух из каждого питательного трубопровода распределяют по всем потребителям через соответствующие секции потребления, безударные безосколочные пиромембраны прорывают принудительно по сигналам датчика давления на емкости высокого давления, причем распределение давлений срабатывания датчика задают с помощью выбора коэффициентов настройки, определяющих расчетные снижения давлений и расходов через проходные сечения звуковых сопел к концам расчетных временных участков периода работы устройства распределения расхода газа, число питательных трубопроводов равно числу расчетных временных участков, при открытии пускового запорного устройства первого трубопровода начальный расход газа задают выше номинального в соответствии с коэффициентом настройки, перед прорывом первой и каждой следующей безударной безосколочной пиромембраны расход принимают равным номинальному, после прорыва безударной безосколочной пиромембраны расход завышают на коэффициент настройки, отсечку опорожнения производят закрытием задвижки перед коллектором. Предложено также устройство для реализации способа. Изобретение позволяет обеспечить с некоторым средним завышением заданный расход воздуха дожигания в газожидкостный эжектор стенда утилизации ракетных двигателей на твердом топливе путем сжигания в бессопловом варианте, что исключает выброс неполных продуктов сгорания твердого топлива в окружающую среду. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ распределения расхода газа по потребителям в системе, состоящей из источника газа высокого давления и соединенных с ним трубопроводов потребителей, включающий подачу газа из емкости высокого давления по трубопроводам потребителей, отличающийся тем, что соединяют через задвижку выход емкости высокого давления с коллектором, воздух из которого в первый питательный трубопровод подают через первое звуковое сопло и установленное за ним пусковое запорное средство, а в остальные питательные трубопроводы воздух подают через второе и последующие звуковые сопла с установленными за ними безударными безосколочными пиромембранами, воздух из каждого питательного трубопровода распределяют по всем потребителям, безударные безосколочные пиромембраны прорывают принудительно по сигналам датчика давления на емкости высокого давления, причем распределение давлений срабатывания датчика задают с помощью выбора коэффициентов настройки, определяющих расчетные снижения давлений и расходов через проходные сечения звуковых сопел в концах расчетных временных участков периода работы устройства распределения расхода газа, число питательных трубопроводов равно числу расчетных временных участков, при открытии пускового запорного устройства первого трубопровода начальный расход газа задают выше номинального в соответствии с коэффициентом настройки, перед прорывом первой и каждой следующей безударной безосколочной пиромембраны расход принимают равным номинальному, после прорыва безударной безосколочной пиромембраны расход завышают на коэффициент настройки, отсечку опорожнения производят закрытием задвижки перед коллектором.2. Способ распределения расходов газа по п.1, отличающийся тем, что при открытии пускового запорного средства расход газа задают в 1,5 раза выше номинального.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты настройки задают одинаковыми для всех расчетных временных участков периода работы устройства распределения расхода газа.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициенты настройки задают различными по расчетным временным участкам периода работы устройства распределения расхода газа.5. Устройство распределения расходов газа, содержащее емкость высокого давления и трубопроводы потребителей с запорными и распределительными средствами, отличающееся тем, что емкость высокого давления соединена через кран с коллектором, к которому подсоединены питательные трубопроводы, первый питательный трубопровод снабжен первым звуковым соплом и вниз по потоку от него пусковым запорным средством, второй и последующие питательные трубопроводы снабжены вторым и последующими звуковыми соплами и вниз по потоку от них безударными безосколочными пиромембранами, каждый питательный трубопровод делится на трубы по числу потребителей, к каждому потребителю подсоединены трубы от каждого питательного трубопровода, причем второй и последующие питательные трубопроводы потребителей вниз по потоку от безударных безосколочных пиромембран соединены с первым питательным трубопроводом через жиклеры создания противодавления в выходных коллекторах потребителей.