Автоматизированная установка для определения энерго-баллистических характеристик жидких углеводородных горючих Российский патент 2020 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности, жидких углеводородных горючих путем автоматизированного определения особым способом энерго-баллистических характеристик - единичного удельного импульса тяги I_уд и периода задержки воспламенения (ПЗВ) - для исследования применимости жидких углеводородных горючих (УВГ) с требуемыми характеристиками в заданных условиях, и может быть использовано в автоматизированных системах создания и исследования новых композиций топлив на основе УВГ.

Одна из проблем создания современных летательных аппаратов с улучшенными характеристиками эксплуатируемых в экстремальных условиях заключается в создании УВГ и топливных композиций на их основе с заданными параметрами энерго-баллистических характеристик. В связи с этим имеется два направления исследования: разработка нового УВГ с улучшенными эксплуатационными показателями и модернизация существующих с возможностью эксплуатации в экстремальных условиях УВГ. При этом существует и проблема оценки применимости, единичного удельного импульса тяги I_уд и ПЗВ, создаваемых УВГ и топливных композиций на их основе при использовании в современных химических реактивных двигателях (ХРД) современных летательных аппаратов (СЛА), эксплуатируемых в экстремальных условиях.

Перед авторами стояла задача разработать автоматизированную установку, позволяющую определять не только удельный импульс тяги с высокой точностью и достоверностью, но и дополнительно ПЗВ, а также время сгорания углеводородного горючего, в условиях, сходных с условиями эксплуатации углеводородного горючего в различных системах гражданского и военного назначения, с одновременным сокращением времени испытания (до 15 минут при определении удельного импульса тяги, ПЗВ и времени сгорания углеводородного горючего), исключая субъективность при выполнении измерений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и взятым за прототип является баллистический маятник (1 - Волков А.В., Загарских В.И., Петрухин Н.В. Применение продетонаторов для активации углеводородов к детонационному горению. // Сб. Всероссийской конференции по физической химии и нанотехнологиям «НИФХИ-90». - М.: НИФХИ, 2008. - С. 73-75, - прототип), состоящий из рабочей камеры, датчика давления, свечи подрыва для инициирования (поджига) подрыва топливно-воздушной смеси (ТВС), электрического обогревателя.

Однако эта установка имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является ограниченный перечень исследуемых показателей жидких УВГ, причем, со значительной погрешностью, обусловленной, например, измерением температуры не в камере, а только наружной поверхности корпуса, что также вносит сложность в поддержании заданной температуры в течение определенного отрезка времени. Кроме того, обработка результатов измерений осуществляется по окончании эксперимента и зависит от способностей экспериментатора.

Технический результат изобретения - расширение перечня определяемых показателей с одновременным повышением точности и оперативности измерения удельного импульса тяги, измерения ПЗВ и времени сгорания УВГ за счет создания условий в рабочей камере, приближенных к условиям эксплуатации двигателей, работающих на УВГ.

Указанный технический результат достигается тем, что автоматизированная установка для определения энерго-баллистических характеристик жидких углеводородных горючих, содержащая установленную с возможностью колебаний обогреваемую рабочую камеру в виде открытого с одного торца цилиндрического корпуса, на открытом торце которого размещены с возможностью замены или мембрана, или заглушка, канал подачи горючего в рабочую камеру, в которой на фиксированном расстоянии друг от друга со стороны открытого торца установлены датчики давления, и средство поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, согласно изобретению, дополнительно содержит блок непрерывной или цикличной подачи углеводородного горючего в канал подачи рабочей камеры, датчик фиксации вспышки в зоне поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры в момент разрыва мембраны, блок создания разрежения в корпусе рабочей камеры и блок управления последовательностью операций, к входам которого подключены датчики давления, датчик температуры в зоне впрыска горючего, блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры, датчик фиксации вспышки, а выходы соединены с исполнительными механизмами обогревателя корпуса рабочей камеры, средства поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, блока подачи в рабочую камеру углеводородного горючего и блока создания разрежения в корпусе рабочей камеры.

На фиг. 1 представлена блок-схема автоматизированной установки для определения энерго-баллистических характеристик жидких углеводородных горючих.

Фиг. 2 - графическая зависимость давления в рабочей камере от времени (распечатка с прибора);

Фиг. 3 - схема отклонения корпуса рабочей камеры.

Для понимания работы автоматизированной установки приняты условные обозначения:

«а» - момент ввода УВГ в рабочую камеру; «б» - момент окончания дозирования УВГ, начало ПЗВ, «в» - момент окончания длительности ПЗВ и момент воспламенения (момент фиксации вспышки) топливно-воздушной смеси; «г» - момент сгорания 90% ТВС (характеризующей двигатель); «д» -момент окончание горения топливно-воздушной смеси.

Автоматизированная установка для определения энерго-баллистических характеристик (единичного удельного импульса тяги I_уд, ПЗВ) жидких УВГ содержит:

1 - корпус рабочей камеры (РК) в виде цилиндра, диаметром 100 мм из стали, выдерживающей высокое давление;

2 - свеча поджига (подрыва) УВГ в РК;

3 - датчик фиксации вспышки в РК (фотоэлемент);

4 - датчик температуры в РК в зоне впрыска УВГ;

5 -обогреватель корпуса РК (электрический);

6 - мембрана (заменяемая, из различных материалов) или крышка;

7 - фиксатор мембраны;

8 - датчик давления в рабочей камере в зоне поджига (подрыва) ТВС;

9, 10 - датчики давления, установленные на фиксированном расстоянии по длине РК (для определения скорости детонационной волны при подрыве ТВС в РК);

11 - блок подачи УВГ в канал рабочей камеры сжигания через инжектор;

12 - инжектор подачи жидких УВГ в РК;

13 - блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры;

14 - блок создания разрежения в корпусе РК;

15 - блок управления последовательностью операций;

16 - тросы для подвеса РК.

Все используемые в установке средства выпускаются серийно. В качестве датчика 3 фиксации вспышки, используются фотодиоды ФД-25 (как вариант), имеющие чувствительность в видимом диапазоне 3мА/люмен.

Датчик 4 температуры в РК в зоне впрыска УВГ, как вариант выполнен в виде термопары, выпускаемый СЛА, Eoysncet REX-C100 40А ССР СН402 XNY International Limited и фиксирует температуру от минус 40 до 1000°С; а датчик 8 давления фиксирует динамическое давления до 100 бар, (как вариант Wavephire DPT-950 с измерительным прибором i-phire 240).

Блок 11 подачи УВГ в РК содержит инжектор. Основным требованием к блоку 11 является создание возможности подачи строго определенного, расчетным путем, объема УВГ в рабочую камеру установки. Это достигается конструктивно входящим в блок 11 инжектора.

Блок 13 фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса РК 1 состоит из акселерометра и высокоскоростной фотовидеокамеры и позволяет точно определять расстояние, на которое отклоняется РК от состояния покоя при разрыве мембраны 6.

Блок 14 создания разрежения в корпусе РК позволяет моделировать условия горения жидких УВГ на высотах, в которых будет использоваться двигательная установка СЛА.

В качестве блока 15 управления последовательностью операций использован компьютер с требованиями не менее Pentium IV, позволяющий с помощью специальной программы осуществлять ввод исходных параметров и вывод результатов в виде цифровых и графических данных (фиг. 2).

Автоматизированная установка для определения энерго-баллистических характеристик функционирует следующим образом.

Пример 1. Необходимо определить ПЗВ и скорость сгорания топлива ТС-1 в условиях запуска прямоточного воздушно-реактивного двигателя (Р_атм=101 кПа). Объем вводимого УВГ 0,6 мл (0, 005 кг).

В открытый торец камеры 1 устанавливают мембрану 6, закрепляют ее фиксатором 7. В соответствии с введенными в блок 15 программой включают нагреватель 5 рабочей камеры и доводят температуру в камере 1 до 300°С (одна из возможных температур при эксплуатации двигателя на ТС-1).

Контроль осуществляют по сигналу датчика температуры 4.

Создают с помощью блока 14 разрежение (необходимое давление) в корпусе рабочей камеры 1, которое контролируют по сигналу датчика 8. Нажимают кнопку «Пуск», по программе блока 15 инжектор 12 подает 0,6 мл УВГ (точка фиг. 2). Срабатывает свеча 2 (точка «б» фиг. 2), происходит подрыв ТВС (точка «в» фиг. 2) в рабочей камере 1, происходит нарастание давления (отрезок времени от точки в до точки «г» фиг. 2.) фиксируемое датчиками 9, 10, происходит разрыв мембраны 7 и выброс продуктов реакции из рабочей камеры 1.

Датчики давления 9, 10, установленные на заданном расстоянии друг от друга, фиксируют нарастание давления по длине камеры 1 и позволяют известным методом определить скорость детонационной волны при подрыве ТВС в рабочей камере (оперативное графическое представление в реальном масштабе времени).

По графической зависимости изменения давления во времени длительность ПЗВ является интервал от точки «б» до точки «в» фиг. 2, длительность периода сгорания ТВС определяется интервалом времени от точки «б» до точки «д» фиг. 2.

Пример 2. Для определения I_уд УВГ в РК осуществляется та же последовательность действий, что и в примере 1, с той только разницей что по заложенной в блоке 15 программе с учетом исходных данных, используется для расчета показатели отклонения корпуса 1 фиг. 3 - сигналы поступают от блока 13 (угол отклонения а, длина подвески L и длина дуги S фиг. 3).

Имея заданные и полученные значения контролируемых величин блок 15 осуществляет расчет единичного удельного импульса по зависимости

где S - длина дуги отклонения (измеряется блоком 13), м;

m - масса подвешенной части установки, равна 16,3 кг;

Т- период колебаний установки при малой амплитуде, рассчитывается в блоке 15;

m_тв - масса УВГ, подаваемого в РК установки, 0,005 кг.

S - длина дуги, в м, рассчитывается по известной зависимости:

где α - угол отклонения установки после подрыва ТВС в РК от положения покоя, град;

L - длина подвеса установки, равная 4,6 м.

Для подтверждения сходимости результатов определения единичного удельного импульса тяги проводилось четыре последовательных определения. Единичный удельный импульс для топлива ТС-1 составил 411 Нс/кг (408, 416, 412, 410), ПЗВ составило - 33,9 мс (34,4; 32,7; 33,6; 35,1), а время сгорания - 13,5 мс(14,2; 13,2; 13,7; 12,9).

Полученные значения показателей не противоречат ранее известным значениям для этого топлива.

Из примеров видно, что заявляемая установка обладает преимуществами перед установкой- прототипом и позволяет увеличить количество определяемых показателей с одного до трех, а использование автоматизированной системы с чувствительными датчиками фиксация вспышки 3, блока 13, датчиками давления 9, 10 и датчика температуры в зоне впрыска горючего 4 в совокупности с известными существенными признаками изобретения - рабочей камеры, установленной с возможностью колебаний, на которой устанавливается разрываемая мембрана и средства поджига.

Оперативность получения данных обусловлена наличием блока 15 совместно с монитором.

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности жидких углеводородных горючих для исследования применимости жидких углеводородных горючих с требуемыми характеристиками в заданных условиях. Установка содержит установленную с возможностью колебаний обогреваемую рабочую камеру в виде открытого с одного торца цилиндрического корпуса, на открытом торце которого размещены с возможностью замены или мембрана, или заглушка, канал подачи горючего в рабочую камеру, в которой на фиксированном расстоянии друг от друга со стороны открытого торца установлены датчики давления, и средство поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси. При этом она дополнительно содержит блок непрерывной подачи углеводородного горючего в канал подачи рабочей камеры, датчик температуры в зоне впрыска горючего, датчик фиксации вспышки в зоне поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры в момент разрыва мембраны, блок создания разрежения в корпусе рабочей камеры и блок управления последовательностью операций. К входам блока управления подключены датчики давления, датчик температуры в зоне впрыска горючего, блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры, датчик фиксации вспышки, а выходы этого блока соединены с исполнительными механизмами обогревателя корпуса рабочей камеры, средства поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, блока подачи в рабочую камеру углеводородного горючего и блока создания разрежения в корпусе рабочей камеры. Достигается расширение перечня определяемых показателей с одновременным повышением точности и оперативности измерения. 3 ил., 2 пр.

Автоматизированная установка для определения энерго-баллистических характеристик жидких углеводородных горючих, содержащая установленную с возможностью колебаний обогреваемую рабочую камеру в виде открытого с одного торца цилиндрического корпуса, на открытом торце которого размещены с возможностью замены или мембрана, или заглушка, канал подачи горючего в рабочую камеру, в которой на фиксированном расстоянии друг от друга со стороны открытого торца установлены датчики давления, и средство поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок непрерывной подачи углеводородного горючего в канал подачи рабочей камеры, датчик температуры в зоне впрыска горючего, датчик фиксации вспышки в зоне поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры в момент разрыва мембраны, блок создания разрежения в корпусе рабочей камеры и блок управления последовательностью операций, к входам которого подключены датчики давления, датчик температуры в зоне впрыска горючего, блок фиксации горизонтальных, продольных и вертикальных отклонений корпуса рабочей камеры, датчик фиксации вспышки, а выходы соединены с исполнительными механизмами обогревателя корпуса рабочей камеры, средства поджига (подрыва) топливно-воздушной смеси, блока подачи в рабочую камеру углеводородного горючего и блока создания разрежения в корпусе рабочей камеры.