СПОСОБ СЖИГАНИЯ УНИТАРНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ Российский патент 2009 года по МПК F23B99/00 F02K9/08 B01J7/00 

Изобретение относится к области ракетной техники, а более конкретно к области твердотопливных газогенерирующих систем, которые могут быть использованы в других отраслях народного хозяйства, где требуется производство газов под давлением, а именно подводно-технические работы, судоподъем, испытание трубопроводов, пожарное дело и др.

Известен способ подводного сжигания твердого ракетного топлива, реализуемый при функционировании твердотопливного газогенератора для подводного использования [1]. Известный способ заключается в том, что твердотопливную шашку с воспламенителем полностью закрывают открытой снизу камерой с примыкающим к ней буферным объемом, а затем обеспечивают зажигание топлива и поддержание истечения продуктов горения в окружающую воду.

Недостатком известного способа является сложность его реализации, заключающаяся в необходимости использования громоздкой камеры и примыкающего к ней буферного объема.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ подводного сжигания унитарного твердого топлив, описанный в работе [2]. Известный способ заключается в том, что твердотопливную шашку предварительно покрывают прочным бронирующим составом по боковой поверхности и верхнему торцу, а зону локального горения образуют на нижнем торце в виде полости в топливе, в которую устанавливают спираль накаливания и подают на нее напряжение. При этом для повышения устойчивости горения твердотопливную шашку могут устанавливать на открытую снизу обечайку, высоту которой выбирают больше радиуса твердотопливной шашки. Горение распространяется снизу вверх, причем средством локализации зоны горения служат сама твердотопливная шашка и бронирующее покрытие.

Недостатком известного способа является необходимость нанесения прочного бронирующего состава на твердотопливную шашку и выполнение в ней воспламенительной полости. Это приводит в итоге к удорожанию в несколько раз получения рабочего тела.

Ставилась задача обеспечения сжигания стандартной цилиндрической шашки унитарного твердого топлива без предварительного нанесения бронирующего покрытия и без выполнения воспламенительной полости в шашке.

Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном способе сжигания унитарного твердого топлива в жидкой среде, с использованием топлива в виде цилиндрической шашки, которую устанавливают преимущественно в вертикальном положении с закреплением шашки в нижней части и осуществляют зажигание, например, при помощи контактирующего с топливом электровоспламенителя, электровоспламенитель устанавливают на верхнем торце шашки и закрывают его термостойким стаканом в перевернутом положении с охватом верхней части шашки, причем термостойкий стакан выбирают с отрицательной плавучестью, превышающей в процессе горения сумму сил: положительной плавучести газового объема стакана и реактивной силы истекающих в жидкость продуктов горения.

Наиболее выгодной реализация способа представляется в том случае, когда процесс подводного сжигания топлива ведут в дозвуковом режиме истечения продуктов горения из зазора между шашкой и стенками термостойкого стакана, для чего предварительно подбирают термостойкий стакан с обеспечением зазора, удовлетворяющего следующему неравенству:

где h - высота стакана, м,

δ - толщина зазора, м;

ϕ - коэффициент расхода;

B(k) - функция, зависящая от показателя адиабаты продуктов сгорания следующим образом

k - показатель адиабаты;

р₁ - атмосферное давление, Н/м²;

β - вычислительный комплекс, равный

ρ_T - плотность топлива, кг/м³;

u₁ - скорость горения топлива при атмосферном давлении, м/с;

χ - коэффициент сохранения теплоты;

R - удельная газовая постоянная продуктов сгорания, Дж/(кг·К);

Т - температура горения при постоянном давлении, К;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

L - расстояние от поверхности жидкости до нижнего края стакана, м.

Локализация зоны горения на верхнем торце в сочетании с использованием термостойкого стакана в перевернутом положении, охватывающего с зазором часть шашки, позволяет простыми средствами осуществить зажигание топлива, при этом отпадает необходимость в выполнении глухого канала в шашке. Кроме того, появляются дополнительные возможности для более равномерного охлаждения продуктов горения: в начале процесса, когда жидкость еще холодная, слой барботирования небольшой, а затем, по мере продвижения фронта горения вниз, этот слой соответственно возрастает.

Выбор стакана с отрицательной плавучестью и со свойством термостойкости позволяет осуществлять автоматически подвижную локализацию зоны горения, т.е. обеспечивать движение средства локализации вниз по мере выгорания топлива.

Осуществление процесса сжигания топлива при дозвуковом режиме истечения продуктов горения позволяет понизить реактивную силу, а следовательно, и существенно уменьшить массу термостойкого стакана.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображены элементы технических средств для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 представлен вид А на фиг.1; на фиг.3 приведено изображение взаимоположения элементов технических средств в начальный период горения шашки; на фиг.4 изображено положение элементов технических средств на установившемся режиме горения.

При реализации предлагаемого способа сжигания унитарного твердого топлива в жидкой среде (фиг.1) используют цилиндрическую шашку топлива 1, которую предварительно устанавливают преимущественно в вертикальном положении и закрепляют на нижнем конце (крепление на чертеже не показано). На верхний конец шашки 1 накладывают воспламенитель, состоящий (фиг.1, 2), например, из спирали накаливания 2, заклеенный между двумя легкоплавкими дисками 3 и 4, изготовленными, например, из полиэтилена. Поверх воспламенителя устанавливают термостойкий стакан 5 в перевернутом положении так, чтобы он охватывал часть шашки с зазором 6 для выхода продуктов горения. Затем на спираль накаливания 2 через провода 7 подают напряжение.

При реализации способа протекают следующие процессы. После подачи напряжения на спираль накаливания 2 и последующего ее нагрева полиэтиленовые диски расплавляются и спираль накаливания вступает в контакт с верхним торцом шашки 1. Вследствие этого шашка начинает воспламеняться по торцу, и появляющиеся продукты горения оттесняют находящуюся в зазоре 6 жидкость (фиг.3). По мере вытеснения жидкости из зазора к воспламенению подключается часть боковой поверхности шашки, охватываемая термостойким стаканом 5. При установившемся режиме происходит постоянное истечение продуктов горения через зазор 6 (фиг.4). Причем по мере выгорания топлива термостойкий стакан 5, ввиду его отрицательной плавучести, «следит» за фронтом горения, осуществляя непрерывную локализацию зоны газообразования в динамическом режиме.

По замыслу авторов использованный краткий термин «стакан» характеризует цилиндрический сосуд, высота которого равна не менее одного и не боле 2...3 его диаметров. При этом высота топливной шашки может быть любой. Поэтому в формуле изобретения невозможно количественно охарактеризовать какую именно часть шашки охватывает надеваемый на нее сверху стакан.

При использовании термина «зазор» имелось в виду, что его максимальная толщина на порядок меньше диаметра используемой топливной шашки.

В материалах заявки использован термин «отрицательная плавучесть» вместо «силы веса в жидкости», которая, как известно, отличается от силы веса на воздухе. Изменение силы веса характеризуется отношением плотностей жидкости и материала термостойкого стакана. Например, для стального стакана потеря веса в воде составляет около 13%.

Отрицательная плавучесть F должна превышать сумму сил Архимеда F_A и тяги F_T, создаваемой продуктами сгорания, истекающими через зазор между боковой поверхностью шашки и стакана

Сила Архимеда вычисляется по формуле

где ρ - плотность воды; g - ускорение свободного падения; V - вместимость пространства, занятого продуктами сгорания (зазор).

Обозначим: D - диаметр шашки, D_c, h - внутренний диаметр и высота стакана, L - расстояние от поверхности воды до нижнего края стакана, δ - толщина зазора, равная (D_c-D)/2.

Тогда

При вычислении силы тяги, создаваемой оттекающими от поверхности горения продуктами сгорания, воспользуемся следующей формулой [3]

где р - давление, создаваемое продуктами сгорания; R и Т - удельная газовая постоянная и температура продуктов сгорания; ρ_T - плотность топлива; χ - коэффициент сохранения теплоты; u - линейная скорость горения топлива. При малых давлениях считаем справедливым степенной закон скорости горения u=u₁(p/p₁)^ν, где u₁ - линейная скорость горения при атмосферном давлении; ν - коэффициенты аппроксимации; р₁ - давление, равное одной атмосфере.

С учетом сделанных допущений формулу (1) представим так

Примем давление продуктов сгорания близким к гидростатическому давлению на данной глубине

Тогда предыдущее выражение примет вид

Рассчитаем F для условий опытов, результаты которых приведены в Акте испытаний. Использованное баллиститное топливо имело следующие характеристики ρ_T=1,6·10³ кг/м³, R=300 Дж/(кг·К), T=2370 К, ν=0,83, u₁=0,66·10^-3 м/с. Глубина размещения образца L=0,1 м, δ=2·10^-3 м, h=D, χ=0,5, p₁=10⁵ Н/м². Тогда по формуле (7) получаем F>0,017 Н.

В опытах значение F варьировалось от 0,06 Н до 0,6 Н, что находилось в соответствии с условием (7).

Если образец сжигается на глубине, то отрицательная плавучесть стакана должна быть больше. Так, например, при L=10 м и при остальных неизменных параметрах F>0,029·Н, а при L=100 м - F>0,105·Н.

Реализация предлагаемого способа может осуществляться и при звуковом режиме истечения продуктов горения. В этом случае сила тяги F_Т будет максимальной

где S - площадь сечения зазора; ϕ - коэффициент расхода; B(k) - функция, зависящая от показателя адиабаты продуктов сгорания следующим образом

Известно, что при звуковом режиме истечения давление газов в зазоре должно превышать в β раз окружающее давление p_h, вычисляемое по формуле

Здесь р₁ - атмосферное давление.

С учетом сделанных допущений формула (1) принимает вид

Подсчет по этой формуле для приведенных выше данных дает следующий результат:

F>1,8·0,8·3,14·10⁵·2·10^-2·1·10^-3(1+10³·10·0,3/10⁵)>6 Н.

Для обеспечения такой отрицательной плавучести термостойкий стакан будет слишком массивным. Хотя опыты с таким массивным стаканом не проводились, однако не вызывает сомнений, что способ может быть реализован и в звуковом режиме истечения. Поэтому данный режим охвачен первым пунктом формулы изобретения.

Процесс сжигания топлива в жидкой среде целесообразно вести в дозвуковом режиме истечения продуктов горения через зазор. Для подбора подходящего стакана для заданного диаметра шашки (или для подбора подходящего диаметра шашки при заданном стакане) получим соотношение для определения необходимой толщины зазора.

Площадь зазора S может быть определена из следующего приближенного соотношения

Заменяя в формуле (10) S и пренебрегая силой Архимеда, получаем

Воспользуемся уравнением Бори для получения соотношения между площадью поверхности горения S_T и площадью сечения зазора

с другой стороны, отношение ST к S равно

Если толщина зазора равна δ, то D=D_c-2δ. Выражение (13) можно представить в виде

Подставляя (14) в (12), получаем

Для дозвукового режима истечения продуктов горения знак равенства в соотношении (15) должен быть заменен на неравенство

При звуковом режиме истечения для приведенных выше параметров по формуле (15) должно быть превышение высоты стакана над толщиной зазора приблизительно в 93,8 раза

В проведенных испытаниях отношение высоты стакана к толщине зазора варьировалось в пределах 9...40, что обеспечивало дозвуковой режим истечения продуктов горения.

Таким образом, формула (7) учитывает условие проведения сжигания, включающее расстояние от поверхности до нижнего края стакана, а соотношение (15) - возможность достижения звукового режима истечения. Для обеспечения дозвукового режима истечения равенство (15) следует заменить на неравенство (16).

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с другими аналогами заключаются в следующем:

- получение рабочего тела в водной среде оказывается более дешевым, поскольку используют стандартные шашки без дополнительного нанесения бронирующего покрытия и выполнения углубления для воспламенителя;

- при реализации способа достигается более равномерная степень охлаждения, так как первые порции продуктов горения барботируют через малый слой холодной жидкости, а по мере ее нагревания слой барботирования увеличивается за счет движения вниз зоны горения и места истечения продуктов горения;

- предлагаемый способ сжигания, обеспечивающий движение фронта горения сверху вниз, позволяет располагать топливные шашки в нижней части используемых для судоподъема вытеснительных камер. Это обеспечивает понижение центра тяжести средств подъема, что благоприятно сказывается на их остойчивости.

Данная заявка на изобретение подготовлена при поддержке РФФИ ФОИН, номер проекта 05-08-12180-а.

Источники информации

1. Пат. 2100065 РФ, МКИ6 B01J 7/00, F02K 9/10, В63В 22/08. Твердотопливный газогенератор для подводного использования / В.Д.Барсуков, С.В.Голдаев, Е.В.Муленок. Заявл. 27.01.95; опубл. 27.12.97, бюл. №36. 5 с.

2 Барсуков В.Д., Голдаев С.В. Исследование устойчивости работы газогенератора открытого типа в водной среде // Изв. вузов. Физика. 2001. С.30,33.

3. Симоненко В.Н., Зарко В.Е. Реактивная сила продуктов сгорания как мера нестационарной скорости горения пороха //Физика горения и взрыва. 1981. Т.17, №3. С.129-132.

Изобретение относится к области ракетной техники, а более конкретно к области твердотопливных газогенерирующих систем, которые могут быть использованы в других отраслях народного хозяйства, где требуется производство газов под давлением. Сущность способа сжигания унитарного топлива в жидкой среде заключается в том, что топливо в виде цилиндрической шашки устанавливают преимущественно в вертикальном положении с закреплением шашки в нижней части и осуществляют зажигание, например, при помощи электровоспламенителя, который устанавливают на верхнем торце шашки и закрывают его термостойким стаканом в перевернутом положении с охватом верхней части шашки, причем термостойкий стакан выбирают с отрицательной плавучестью. Изобретение позволяет достичь более равномерную степень охлаждения продуктов сгорания, а подъемные устройства являются более устойчивыми. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ сжигания унитарного твердого топлива в жидкой среде, заключающийся в том, что топливо используют в виде цилиндрической шашки, которую устанавливают в жидкой среде преимущественно в вертикальном положении с закреплением шашки в нижней части и осуществляют зажигание, например, при помощи контактирующего с топливом электровоспламенителя, отличающийся тем, что электровоспламенитель устанавливают на верхнем торце шашки и закрывают его термостойким стаканом в перевернутом положении с охватом верхней части шашки, причем термостойкий стакан выбирают с отрицательной плавучестью, превышающей в процессе горения сумму сил, включающую положительную плавучесть газового объема стакана и реактивную силу истекающих через зазор продуктов горения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс сжигания топлива ведут в дозвуковом режиме истечения продуктов горения из зазора между шашкой и стенками термостойкого стакана, для этого предварительно подбирают термостойкий стакан с обеспечением зазора, удовлетворяющего следующему неравенству:

где h - высота стакана, м;

δ - толщина зазора, м;

ϕ - коэффициент расхода;

B(k) - функция, зависящая от показателя адиабаты продуктов

сгорания следующим образом

k - показатель адиабаты;

p₁ - атмосферное давление, Н/м²;

β - вычислительный комплекс, равный

ρ_T, - плотность топлива, кг/м³;

u₁ - скорость горения топлива при атмосферном давлении, м/с;

χ - коэффициент сохранения теплоты;

R - удельная газовая постоянная продуктов сгорания, Дж/(кгК);

Т - температура горения при постоянном давлении, К;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

L - расстояние от поверхности жидкости до нижнего края стакана, м;

ν - коэффициент аппроксимации в степенном законе горения.